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摘要：鋼筋混凝土框架節(jié)點是框架結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，是框架結(jié)構(gòu)中比較特殊的部位，其受力狀態(tài)較復(fù)雜，柱起到向下傳遞內(nèi)力的作用，所以有必要對節(jié)點的各項性能進(jìn)行研究。...

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)粱柱節(jié)點性能的研究

王玉霞，周  婷，江吉兵

(西南交通大學(xué)，四川成都610031)

    國內(nèi)外多次大地震的調(diào)查證明，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，使得這一結(jié)構(gòu)形式得以廣泛的應(yīng)用。常用的框架結(jié)構(gòu)有三種體系，即內(nèi)框架、純框架和框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系。不論何種框架結(jié)構(gòu)，都有框架節(jié)點。

    鋼筋混凝土框架節(jié)點是框架結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，是框架結(jié)構(gòu)中比較特殊的部位，其受力狀態(tài)較復(fù)雜。柱既起向下傳遞內(nèi)力的作用，又是梁的支座，接受本層梁傳遞過來的彎矩和剪力，有時還有扭矩。框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點連接的可靠性對結(jié)構(gòu)整體性能以及結(jié)構(gòu)的安全性有著非常重要的影響。所以有必要對其各項性能進(jìn)行綜合考慮和研究。

1.節(jié)點的受力機理

    1.1不同類型節(jié)點的受力分析

    根據(jù)節(jié)點處梁柱數(shù)目的不同，可將框架節(jié)點分為L形、T形和十字形3類，不同類型節(jié)點的受力狀況差異很大。節(jié)點核心區(qū)受力比較復(fù)雜，容易發(fā)生破壞。如頂層邊柱節(jié)點是一個L形節(jié)點，其梁、柱內(nèi)的鋼筋都要在核心區(qū)錨固，受荷后節(jié)點受張開或閉合的彎矩，縱筋易發(fā)生錨固破壞。頂層的中柱節(jié)點是一個T形節(jié)點，梁筋可以直通過節(jié)點而無錨固，在水平荷載作用下，柱的抗彎能力比梁的抗彎能力弱，因而柱端容易出現(xiàn)塑性鉸。對于水平向的T形節(jié)點強柱弱梁比較容易滿足，但鋼筋的錨固較難，容易出現(xiàn)梁筋和柱筋的粘結(jié)滑移。框架四角的角柱節(jié)點受相交成直角的兩梁傳來的彎距剪力，會出現(xiàn)角柱雙向偏心受壓受力的不利情況。而十字形的中柱節(jié)點由于四周有梁的約束，比較安全，但在強烈地震作用下，節(jié)點兩側(cè)的梁端可能受到很大的剪力；容易發(fā)生核心區(qū)剪切破壞。

    1.2節(jié)點核心區(qū)受力機理

    下面以十字形節(jié)點為例，說明節(jié)點核心區(qū)的受力機理，其他類型的節(jié)點與之類似。已有的研究認(rèn)為，對于典型的梁柱相交的十字形節(jié)點，作用在節(jié)點的梁端和柱端的彎矩(Mb、Me)可轉(zhuǎn)化為鋼筋拉力(Ts)和受壓鋼筋壓力(Ca)、混凝土受壓區(qū)壓力(Cs)組成的力偶。拉力通過鋼筋粘結(jié)應(yīng)力的方式傳人節(jié)點核心區(qū)，在節(jié)點核心區(qū)形成正交的斜向壓應(yīng)力場和拉應(yīng)力場，因而核心區(qū)混凝土在反復(fù)荷載的作用下易產(chǎn)生交叉的正交斜裂縫，引起節(jié)點的強度、剛度以及抗震能力的降低。梁縱筋通常以連續(xù)貫通的形式通過節(jié)點，受交變荷載時，其一邊受拉屈服，另一邊受壓屈服。如此反復(fù)，粘結(jié)失效后會發(fā)生貫通滑移破壞，從而使節(jié)點剛度和耗能明顯下降，并且破壞了節(jié)點核心區(qū)剪力的正常傳遞，使核心區(qū)受剪承載力降低。一般情況下，受壓力和剪力復(fù)合作用的混凝土，在壓力不大時抗剪強度隨壓力的增加而增加，但當(dāng)壓力增加到一定程度后，抗剪強度會隨壓力的增加而降低。

    通常在軸壓比大于0.6時，抗剪強度隨軸壓力的增加反而降低。當(dāng)混凝土在受拉力和剪力共同作用時，抗剪強度隨拉應(yīng)力的增加而降低。因此，減少核心區(qū)混凝土的拉應(yīng)力，有助于提高其抗剪強度。

    1.3節(jié)點核心區(qū)的傳力機構(gòu)

    (1)斜壓桿機構(gòu)：適用于節(jié)點核心區(qū)箍筋較少或沒有配箍筋的情況。核心區(qū)混凝土的受壓區(qū)形成斜壓桿，梁柱傳來的剪力主要由節(jié)點核心區(qū)的混凝土斜向壓桿承擔(dān)。

    (2)桁架機構(gòu)：適用于箍筋較密的情況。節(jié)點在反復(fù)荷載作用下，核心區(qū)產(chǎn)生多條剪切裂縫，形成一條條的斜壓桿，與水平箍筋充當(dāng)?shù)睦瓧U一起形成桁架，承擔(dān)核心區(qū)  剪力。

    (3)約束機構(gòu)：箍筋與核心區(qū)}昆凝土相互作用形成“約束機構(gòu)”，此機構(gòu)不直接參與傳遞節(jié)點剪力，但可使節(jié)點的抗剪能力維持到節(jié)點組合體達(dá)到更大變形之時，是保證節(jié)點區(qū)抗震性能的一種節(jié)點受力機構(gòu)。

    (4)剪摩擦機構(gòu)：水平箍筋受拉屈服時，核心區(qū)混凝土受剪破壞，沿對角線的剪切裂縫將核心區(qū)分成兩大塊。剪力一部分由箍筋承當(dāng)，另一部分由麗大塊混凝土在斜裂縫處的滑動摩擦力抵消。

2.節(jié)點的強度

    2.1節(jié)點的受力特點

    根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析，可以得到以下結(jié)論：在豎向荷載作用下，梁柱節(jié)點核心區(qū)受剪力較小，邊柱節(jié)點核心區(qū)受剪力較大。在水平荷載作用下，節(jié)點受水平剪力很大，一般約為柱子的4。6倍，在水平剪力和軸向壓力的共同作用下，節(jié)點核心區(qū)將產(chǎn)生很大的斜拉力，使混凝土產(chǎn)生斜裂縫，發(fā)生剪切破壞。另外，梁的縱向鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力也很大，當(dāng)超過粘結(jié)強度時鋼筋發(fā)生滑移，產(chǎn)生錨固破壞。

    2.2影響節(jié)點抗剪強度的因素

    2.2.1軸向力

    軸向壓力在一定范圍內(nèi)對節(jié)點抗剪是有利的，但是對于是否提高節(jié)點極限抗剪強度，各家觀點還不一致。一般認(rèn)為，軸壓比不大于0．6時，有利于節(jié)點抗剪，可提高節(jié)點延性，減輕節(jié)點破壞程度。

    2.2.2水平箍筋

    混凝土初裂時節(jié)點抗剪能力不受箍筋多少的影響。節(jié)點抗剪強度和配箍率之間是非線性的，抗剪強度不是按(Ve+Vs)那樣按比例增加，且配箍率過高會引起混凝土破壞先于箍筋屈服的后果，使節(jié)點核心區(qū)的抗剪強度達(dá)不到預(yù)計的最大值。

    2.2.3柱子的縱向鋼筋

    柱子縱筋對節(jié)點抗剪是有利的，但不像增加水平箍筋那樣能提高節(jié)點的抗剪強度。

    2.2.4垂直鋼筋

    在反復(fù)荷載作用下，節(jié)點核心區(qū)混凝土出現(xiàn)交叉裂縫后，剪力的傳遞由斜壓桿作用過渡到由水平箍筋承受水平應(yīng)力，柱縱筋和混凝土承擔(dān)垂直力及平行于斜裂縫的混凝土骨料咬合力構(gòu)成框架抗剪機制，設(shè)置垂直鋼筋可承擔(dān)節(jié)點剪力的垂直分量，以減小混凝土的負(fù)擔(dān)，從而提高節(jié)點強度，節(jié)點延性也有明顯增加。但抗初裂強度未提高。

    2.2.5直交梁

    對提高核心區(qū)抗剪強度有明顯作用。

    2.2.6樓板和梁腋

    樓板具有增強節(jié)點的約束和提高梁的抗彎能力的作用。  對梁加腋使節(jié)點抗剪的有效體積有所增加，能提高抗剪強度和剛度，有利于實現(xiàn)強柱弱梁。

    2.2.7預(yù)應(yīng)力作用

    沿梁柱軸線施加預(yù)應(yīng)力，提高節(jié)點的初裂荷載和極限  抗剪能力，也提高了梁的抗彎和抗剪強度。由于抗彎鋼筋主要是非預(yù)應(yīng)力筋，因此梁耗散能量的性能基本不受預(yù)應(yīng)力的影響。

    2.2.8偏心受力

    同梁柱無偏心的情況相比，偏心受力的承載能力要降低50％～70％。

    2.2.9反復(fù)荷載

    反復(fù)荷載是正負(fù)兩個方向應(yīng)力交替變化的循環(huán)荷載，在承受非彈性變形的反復(fù)荷載的作用下，材料強度和構(gòu)件剛度降低，粘結(jié)性能退化，剪切變形加大，使核心區(qū)斜向裂縫一會兒張開，一會兒閉合，導(dǎo)致抗剪強度和剪切剛度的降低。

3.節(jié)點的變形分析

    為了對節(jié)點變形有更清晰全面的認(rèn)識，必須考察節(jié)點各部分的變形與框架層間變形的關(guān)系。在水平荷載作用下，框架層間位移△可分解為以下4個部分：

    (1)由梁變形引起的柱頂位移△ab；

    (2)由柱變形引起的柱頂位移△ce；

    (3)由節(jié)點核心區(qū)剪切變形引起的柱頂位移△ej；

    (4)由梁端對柱邊轉(zhuǎn)動所引起的柱頂位移△er。

    節(jié)點的變形主要包括節(jié)點核心區(qū)的剪切變形和梁端對柱邊的轉(zhuǎn)動，這種轉(zhuǎn)動是梁筋滑移(從柱中拔出)而引起的。也就是說，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性階段后，承受高彎曲、高剪切和軸向力的節(jié)點區(qū)將產(chǎn)生彎曲變形(梁柱桿件)、剪切變形(節(jié)點核心區(qū))和滑移變形(梁端對柱邊的轉(zhuǎn)動)這3種非彈性變形。

    梁柱桿件的彎曲變形是不可避免的，通過彎曲變形可以吸收和耗散地震能量。然而，剪切變形和滑移變形會使滯回環(huán)變窄(倒s形)，耗能減少，結(jié)構(gòu)位移加大。因此應(yīng)把剪切和滑移的作用減少到最小程度，這就是對節(jié)點變形的基本要求。對按抗震標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的節(jié)點進(jìn)行試驗得出，一般應(yīng)控制△ce／△<1％，△eb／△約為60％～70％，△ej／△約為15％～25％，△er／△約為l0％一l5％。梁變形占總變形的大部分，是抗震性能良好的標(biāo)志之一。所以，加固節(jié)點時，應(yīng)提高其核心區(qū)抗剪切變形的能力。

4.節(jié)點的延性分析

    節(jié)點的延性反映結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或材料的塑性變形能力。對于節(jié)點的延性要求，主要是對鄰近核心區(qū)的梁端和柱端而言的。梁端和柱端如有較大的變形能力，即使出現(xiàn)塑性鉸也不至于產(chǎn)生梁柱剪切破壞。對于節(jié)點核心區(qū)并不要求延性很大，而是要有較高的強度和剛度，以保證在梁上塑性鉸出現(xiàn)之前不發(fā)生核心區(qū)剪切破壞和鋼筋錨固破壞。

    框架、框剪體系之類的抗側(cè)力構(gòu)件，首先是由一些桿件通過節(jié)點組成一個可承載的桿件系統(tǒng)，在外荷載作用下，一旦節(jié)點發(fā)生破壞，整個構(gòu)件就會變成幾何可變體系而失去承載能力。對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)而言，節(jié)點的破壞還將引起梁端和柱端鋼筋在節(jié)點核心區(qū)的錨固失敗，梁鉸機制不能形成。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對節(jié)點的構(gòu)造措施如：為防止梁柱節(jié)點域斜裂縫的出現(xiàn)，并使節(jié)點域混凝土對鋼筋具有良好的約束作用，確保梁柱在節(jié)點域內(nèi)的錨固效果。GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定了框架節(jié)點核心區(qū)箍筋的最大間距和最小直徑、節(jié)點核心區(qū)配箍特征值及體積配箍率。為使節(jié)點域截面能充分發(fā)揮其受剪承載力，規(guī)定梁截面最小寬度不宜小于200 mill。試驗結(jié)果指出，正交梁的存在可使柱節(jié)點域截面的受剪承載力增大50％左右。因此建議梁高度取(1／8-1／12}L(L為梁跨度)，且不宜小于500 mm，縱梁底部比橫梁底部應(yīng)至少高出50 mm，并在設(shè)計中采用正交梁柱體系，這樣既有利于鋼筋的布置，又可提高結(jié)構(gòu)安全度。從節(jié)點受力狀態(tài)可知，側(cè)向力作用下框架節(jié)點域承受著很大的斜壓力和斜拉力。由于地震作用的往復(fù)性，在節(jié)點域配置斜向交叉鋼筋，與普通的配置水平箍筋的節(jié)點比較，其受剪承載力增大較多，這是改善節(jié)點耐震性能的一個有效方案。另外，框架縱筋在節(jié)點域的錨固除滿足水平錨固長度0．4 LaE外，垂直錨固應(yīng)向節(jié)點域豎向彎折。為滿足鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能，結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的連接、節(jié)點核心區(qū)的混凝土強度等級的要求也要滿足規(guī)范要求。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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