鋼筋混凝土框架結構粱柱節點性能的研究

王玉霞，周  婷，江吉兵

(西南交通大學，四川成都610031)

    國內外多次大地震的調查證明，鋼筋混凝土框架結構具有良好的抗震性能，使得這一結構形式得以廣泛的應用。常用的框架結構有三種體系，即內框架、純框架和框架一剪力墻結構體系。不論何種框架結構，都有框架節點。

    鋼筋混凝土框架節點是框架結構中重要的組成部分，是框架結構中比較特殊的部位，其受力狀態較復雜。柱既起向下傳遞內力的作用，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。框架結構梁柱節點連接的可靠性對結構整體性能以及結構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行綜合考慮和研究。

1.節點的受力機理

    1.1不同類型節點的受力分析

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

    1.2節點核心區受力機理

    下面以十字形節點為例，說明節點核心區的受力機理，其他類型的節點與之類似。已有的研究認為，對于典型的梁柱相交的十字形節點，作用在節點的梁端和柱端的彎矩(Mb、Me)可轉化為鋼筋拉力(Ts)和受壓鋼筋壓力(Ca)、混凝土受壓區壓力(Cs)組成的力偶。拉力通過鋼筋粘結應力的方式傳人節點核心區，在節點核心區形成正交的斜向壓應力場和拉應力場，因而核心區混凝土在反復荷載的作用下易產生交叉的正交斜裂縫，引起節點的強度、剛度以及抗震能力的降低。梁縱筋通常以連續貫通的形式通過節點，受交變荷載時，其一邊受拉屈服，另一邊受壓屈服。如此反復，粘結失效后會發生貫通滑移破壞，從而使節點剛度和耗能明顯下降，并且破壞了節點核心區剪力的正常傳遞，使核心區受剪承載力降低。一般情況下，受壓力和剪力復合作用的混凝土，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。當混凝土在受拉力和剪力共同作用時，抗剪強度隨拉應力的增加而降低。因此，減少核心區混凝土的拉應力，有助于提高其抗剪強度。

    1.3節點核心區的傳力機構

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

    (2)桁架機構：適用于箍筋較密的情況。節點在反復荷載作用下，核心區產生多條剪切裂縫，形成一條條的斜壓桿，與水平箍筋充當的拉桿一起形成桁架，承擔核心區  剪力。

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

    (4)剪摩擦機構：水平箍筋受拉屈服時，核心區混凝土受剪破壞，沿對角線的剪切裂縫將核心區分成兩大塊。剪力一部分由箍筋承當，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.節點的強度

    2.1節點的受力特點

    根據結構力學的分析，可以得到以下結論：在豎向荷載作用下，梁柱節點核心區受剪力較小，邊柱節點核心區受剪力較大。在水平荷載作用下，節點受水平剪力很大，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，節點核心區將產生很大的斜拉力，使混凝土產生斜裂縫，發生剪切破壞。另外，梁的縱向鋼筋的粘結應力也很大，當超過粘結強度時鋼筋發生滑移，產生錨固破壞。

    2.2影響節點抗剪強度的因素

    2.2.1軸向力

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

    2.2.2水平箍筋

    混凝土初裂時節點抗剪能力不受箍筋多少的影響。節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，使節點核心區的抗剪強度達不到預計的最大值。

    2.2.3柱子的縱向鋼筋

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

    2.2.4垂直鋼筋

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

    2.2.5直交梁

    對提高核心區抗剪強度有明顯作用。

    2.2.6樓板和梁腋

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

    2.2.7預應力作用

    沿梁柱軸線施加預應力，提高節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應力筋，因此梁耗散能量的性能基本不受預應力的影響。

    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反復荷載

    反復荷載是正負兩個方向應力交替變化的循環荷載，在承受非彈性變形的反復荷載的作用下，材料強度和構件剛度降低，粘結性能退化，剪切變形加大，使核心區斜向裂縫一會兒張開，一會兒閉合，導致抗剪強度和剪切剛度的降低。

3.節點的變形分析

    為了對節點變形有更清晰全面的認識，必須考察節點各部分的變形與框架層間變形的關系。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)由節點核心區剪切變形引起的柱頂位移△ej；

    (4)由梁端對柱邊轉動所引起的柱頂位移△er。

    節點的變形主要包括節點核心區的剪切變形和梁端對柱邊的轉動，這種轉動是梁筋滑移(從柱中拔出)而引起的。也就是說，當結構進入非彈性階段后，承受高彎曲、高剪切和軸向力的節點區將產生彎曲變形(梁柱桿件)、剪切變形(節點核心區)和滑移變形(梁端對柱邊的轉動)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變窄(倒s形)，耗能減少，結構位移加大。因此應把剪切和滑移的作用減少到最小程度，這就是對節點變形的基本要求。對按抗震標準設計的節點進行試驗得出，一般應控制△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志之一。所以，加固節點時，應提高其核心區抗剪切變形的能力。

4.節點的延性分析

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

    框架、框剪體系之類的抗側力構件，首先是由一些桿件通過節點組成一個可承載的桿件系統，在外荷載作用下，一旦節點發生破壞，整個構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構而言，節點的破壞還將引起梁端和柱端鋼筋在節點核心區的錨固失敗，梁鉸機制不能形成。《混凝土結構設計規范》對節點的構造措施如：為防止梁柱節點域斜裂縫的出現，并使節點域混凝土對鋼筋具有良好的約束作用，確保梁柱在節點域內的錨固效果。GB50011—2001《建筑抗震設計規范》規定了框架節點核心區箍筋的最大間距和最小直徑、節點核心區配箍特征值及體積配箍率。為使節點域截面能充分發揮其受剪承載力，規定梁截面最小寬度不宜小于200 mill。試驗結果指出，正交梁的存在可使柱節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至少高出50 mm，并在設計中采用正交梁柱體系，這樣既有利于鋼筋的布置，又可提高結構安全度。從節點受力狀態可知，側向力作用下框架節點域承受著很大的斜壓力和斜拉力。由于地震作用的往復性，在節點域配置斜向交叉鋼筋，與普通的配置水平箍筋的節點比較，其受剪承載力增大較多，這是改善節點耐震性能的一個有效方案。另外，框架縱筋在節點域的錨固除滿足水平錨固長度0．4 LaE外，垂直錨固應向節點域豎向彎折。為滿足鋼筋與混凝土間的粘結性能，結構構件間的連接、節點核心區的混凝土強度等級的要求也要滿足規范要求。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)