• 作者：聂建国、丁然、周建龙等　　
• 出处：《建筑结构学报》（EI），2013 　　
• 主题：节点构造、抗震试验、有限元验证
• 期刊官方原文阅览链接：http://www.jzjgxb.com/CN/Y2013/V34/I09
• 超高层建筑普遍采用巨柱框架 - 核心筒搭配伸臂桁架的抗侧力体系，伸臂桁架与核心筒剪力墙的连接节点是传递水平剪力、倾覆力矩的关键受力部位，其构造形式直接决定整体建筑抗震安全储备。武汉中心塔楼作为典型超高层地标项目，针对桁架入墙段开发了钢板外包式、钢板内嵌式两类节点构造方案。本文依托该实际工程开展 1:3 缩尺试件低周往复拟静力加载试验，系统对比两类节点的极限承载能力、刚度演化规律、变形延性系数与滞回耗能特性；同步记录往复荷载作用下剪力墙混凝土裂缝发展路径、钢板局部屈曲、节点整体失效模式。试验数据表明，两种构造节点均具备充足承载力、良好延性与稳定耗能能力，整体抗震表现满足超高层抗震设防标准；综合施工难易度、极限承载力、墙体损伤程度三项指标对比，外包钢板节点综合性能优于内嵌钢板节点，现场拼装工序更简便、稳定承载力更高，同时能有效抑制核心筒墙体裂缝拓展。研究所得试验结论、节点受力规律直接支撑武汉中心塔楼加强层结构施工图设计，也为国内外同类超高层建筑伸臂桁架 - 剪力墙节点构造选型、抗震优化设计提供完整试验依据与技术参考。

一、研究工程背景与研究目的

武汉中心为 438m 高度超高层塔楼，主体结构采用巨柱框架 + 钢筋混凝土核心筒 + 多道钢伸臂桁架复合抗侧体系，多道加强层伸臂桁架是协调外围巨柱与内部核心筒协同受力、控制建筑侧向变形的核心构件。

地震作用下，风荷载、地震产生的倾覆力矩与层间剪力会全部通过桁架端部节点传递至核心筒剪力墙，节点区域同时承受拉、压、弯、剪复合受力，应力状态复杂，极易出现混凝土压溃、钢板撕裂、墙体大面积开裂等破坏，是结构抗震薄弱区域。

项目设计阶段提出两种钢 - 混凝土组合节点构造：一种将连接钢板包覆在剪力墙外壁（外包式节点）；另一种将钢板预埋埋入墙体内部（内嵌式节点）。两类构造传力路径、约束机理、施工难度差异显著，暂无成熟试验数据对比二者抗震优劣，无法直接判定最优方案。

基于工程落地需求，课题组制作两类节点缩尺试件开展拟静力抗震试验，同步配套非线性有限元数值模拟验证，厘清不同构造节点的抗震性能差异、破坏演化规律，筛选适配武汉中心项目的节点形式，并总结通用化设计建议，填补超高层桁架 - 剪力墙组合节点试验研究空白。

二、试件设计、加载方案与有限元建模方案

（一）两类节点试件构造设计

试验采用 1:3 几何缩尺比例，分别制作外包钢板节点、内嵌钢板节点两组试件，试件包含核心筒剪力墙墙体、端部暗柱、K 型钢伸臂桁架弦杆与腹杆、连接钢板、栓钉连接件，混凝土强度、钢材牌号、配筋率均与实际工程保持一致：

1. 钢板内嵌式节点：连接板整体预埋进剪力墙内部，依靠栓钉与墙体混凝土粘结传力，墙体外部无外露钢构件；
2. 钢板外包式节点：钢板贴合剪力墙内外表面，通过贯穿螺栓对拉固定，桁架杆件与外包钢板焊接，钢板通过栓钉约束墙体表层混凝土。

（二）拟静力试验加载方案

采用低周往复水平位移加载制度，逐级增大加载位移幅值，模拟多遇、设防、罕遇地震下节点往复受力全过程；试验全程同步采集荷载 - 位移滞回曲线、钢板应变、墙体裂缝宽度与分布、节点局部变形，记录各加载级刚度退化、承载力衰减特征。

（三）有限元数值模拟方案

采用 MSC.MARC 非线性有限元软件建立精细化实体模型，分别定义钢材塑性本构、混凝土损伤塑性本构、栓钉界面粘结滑移接触关系，完整还原钢板、混凝土、钢筋、桁架杆件协同受力行为。先通过试验实测滞回曲线、破坏形态校正有限元模型参数，再依托校准完成的模型深挖节点内部应力分布、荷载传递机理，实现试验与数值模拟双向对照验证。

三、拟静力试验现象与抗震指标对比分析

（一）裂缝开展与整体破坏形态

1. 内嵌钢板节点：往复加载初期墙体内部先出现细微斜裂缝，随位移加大裂缝持续向内延伸、交叉贯通；极限加载阶段墙体中部混凝土局部压碎，预埋钢板端部出现轻微屈曲，承载力下降幅度较大。
2. 外包钢板节点：外层钢板对墙体形成有效约束，裂缝仅少量出现在钢板边界区域，无大面积贯通斜裂缝；直至加载至极限位移，剪力墙主体混凝土未发生压溃，仅桁架端部钢板出现局部塑性变形，整体损伤程度远轻于内嵌式试件。

（二）核心抗震性能指标量化对比

1. 承载能力：外包钢板节点极限承载力高于内嵌式节点，稳定持荷阶段更长，承载力衰减速率更平缓；
2. 刚度特性：两类节点初始刚度接近，但往复循环加载后，内嵌节点刚度退化速度明显更快，外包钢板约束作用有效延缓刚度损失；
3. 延性与耗能：两种节点滞回曲线均饱满无明显捏缩，延性系数均满足超高层抗震要求；外包节点滞回环面积更大，累积耗能能力更突出；
4. 施工适配性：内嵌钢板需浇筑混凝土前精准预埋，钢筋、钢板穿插冲突多，现场施工容错率低；外包钢板可在墙体浇筑完成后现场装配，工序简单，便于现场质量管控。
5. 综合对比得出结论：钢板外包式节点在承载力、墙体损伤控制、施工便捷度上全面优于内嵌钢板节点，最终作为武汉中心塔楼标准节点方案落地使用。

四、有限元机理分析结果

经试验数据校准后的有限元模型可精准复现节点裂缝发展、钢板塑性开展全过程，通过数值拆解得到传力机理规律：

1. 内嵌节点荷载依靠内部栓钉向墙体深层传递，墙体内部应力集中严重，往复荷载下混凝土易出现剪切损伤；
2. 外包钢板可将桁架传来的内力均匀分散至墙体整个截面，表层钢板限制混凝土裂缝扩张，实现应力均匀化分布；
3. 节点端部暗柱为次要受力防线，可进一步分担边缘拉压应力，设计中需保证暗柱配筋、截面尺寸满足延性要求。同时文章依托数值分析成果，提出该类节点承载力简化计算方法，方便工程设计人员快速验算。

五、论文主要研究结论与工程应用价值

1. 钢板外包、钢板内嵌两类伸臂桁架 - 核心筒剪力墙节点均具备可靠承载能力、良好延性与耗能性能，均可满足超高层建筑抗震设计底线要求；
2. 同等加载条件下，外包钢板节点极限承载力更高、墙体裂缝更少、刚度退化更缓慢，综合抗震性能优于内嵌钢板构造，且现场装配施工更简便，更适合高烈度区超高层项目；
3. 低周往复荷载下，内嵌式节点易出现墙体内部深层剪切裂缝，刚度衰减更快，适用于墙体厚度充足、施工预埋条件优越的低、中烈度超高层；
4. 本文试验数据、有限元建模方法、节点选型对比结论直接支撑武汉中心加强层结构设计，有效解决该项目桁架与核心筒连接关键抗震难题；
5. 研究形成的节点构造优化思路、承载力简化计算模型，可为国内带伸臂桁架体系超高层写字楼、金融中心等同类建筑的节点抗震设计提供标准化参考，完善钢 - 混凝土组合加强层节点设计理论体系。