影響鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能的因素

　　1 問題的提出

　　近年來，隨著抗震理論的深入發(fā)展，在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)上，“強(qiáng)剪弱彎，弱梁強(qiáng)柱，更強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”已經(jīng)成為工程界的共識(shí)。這種“能力設(shè)計(jì)”的思路確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下，依次在梁端和柱端出現(xiàn)塑性鉸，通過塑性耗能機(jī)構(gòu)避免在較強(qiáng)的地震作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷和在更強(qiáng)地震作用下發(fā)生危及生命安全的局部或整體失效。而鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)計(jì)的最不利非彈性反應(yīng)之前不應(yīng)出現(xiàn)剪切失效，并具有一定的耗能能力。

　　鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性是反映結(jié)構(gòu)在荷載作用下，進(jìn)入非線性狀態(tài)后在承載力沒有顯著降低情況下的變形能力。對(duì)于延性大的結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的塑性變形也大，但永久變形太大，結(jié)構(gòu)可能在重力作用下引起坍塌，也可能使結(jié)構(gòu)的損壞部位不可修復(fù)。因此，在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，必須綜合考慮一定程度的承載能力和一定范圍的延性。

　　鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理指通過合理的計(jì)算假定模式，描述由梁、板、柱傳來的內(nèi)力(M、N、V、T)在框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的傳遞和由此產(chǎn)生的各種破壞型式。目前比較流行的有三種理論：斜壓桿機(jī)理、剪摩擦機(jī)理、桁架機(jī)理。這三種框架節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理，應(yīng)用于各種不同的破壞型式和設(shè)計(jì)規(guī)范中。新西蘭的框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以斜壓桿和桁架機(jī)理共同作用為依據(jù)，美國則以梁剪機(jī)理和斜壓桿機(jī)理為主。而我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011―2001)中用于抗震框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的主要計(jì)算公式是用來確定節(jié)點(diǎn)水平箍筋用量的“框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)抗震受剪承載力計(jì)算公式”，并未全面考慮到影響鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能的各種因素，值得進(jìn)一步探討研究。

　　2　影響鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能的因素

　　2.1 材料強(qiáng)度

　　混凝土強(qiáng)度直接影響框架節(jié)點(diǎn)抗剪承載力，對(duì)于承受一定荷載的框架節(jié)點(diǎn)，混凝土強(qiáng)度越高，則梁、柱的截面尺寸越小，框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土的承剪截面也相應(yīng)減小，在一定配箍率下，對(duì)其抗震性能反而不利。

　　我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010―2002)提倡使用HRB400級(jí)鋼筋，鋼筋強(qiáng)度雖然大于HRB335級(jí)鋼筋，在相同的設(shè)計(jì)條件下，用鋼量相對(duì)減少，但是鋼筋表面與周邊的混凝土粘結(jié)錨固能力下降，在框架節(jié)點(diǎn)的高粘結(jié)應(yīng)力區(qū)，鋼筋和混凝土的共同作用相對(duì)較差，鋼筋易滑移。

　　2.2 節(jié)點(diǎn)型式

　　對(duì)于一榀平面框架，按框架節(jié)點(diǎn)所在位置，節(jié)點(diǎn)主要有四種基本型式：頂層邊柱節(jié)點(diǎn)(┏型)、頂層中柱節(jié)點(diǎn)(┳型)、中間層邊柱節(jié)點(diǎn)(┣型)和中間層中柱節(jié)點(diǎn)(╋型)。對(duì)于┏型節(jié)點(diǎn)，梁、柱的縱筋均需在框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)內(nèi)錨固，節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)受力較復(fù)雜，易產(chǎn)生破壞。對(duì)于┳型節(jié)點(diǎn)，梁的縱筋可直通錨固，水平荷載作用下，柱抗彎承載力弱于梁，柱端易產(chǎn)生塑性鉸。對(duì)于┣型節(jié)點(diǎn)，柱抗彎承載力較大，“強(qiáng)柱弱梁”比較容易滿足，但梁筋的錨固相對(duì)薄弱，梁筋易發(fā)生粘結(jié)滑移，角柱節(jié)點(diǎn)受力最為不利。對(duì)于╋型節(jié)點(diǎn)，強(qiáng)震作用下，框架節(jié)點(diǎn)兩側(cè)梁端可能均達(dá)到屈服，框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)受到很大的剪力，容易發(fā)生核芯區(qū)剪切破壞。

　　2.3 軸壓比

　　試驗(yàn)研究表明，在一定范圍內(nèi)軸向壓力可提高框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土的抗剪承載力。由于柱軸向壓力的作用，在框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土開裂以前，柱截面受壓區(qū)面積加大，斜壓桿作用加強(qiáng)。當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)，混凝土塊體間產(chǎn)生咬合力。隨著軸壓比的增大，抗剪承載力相應(yīng)增大，但當(dāng)軸壓比超過某一臨界值時(shí)，框架節(jié)點(diǎn)受壓區(qū)混凝土產(chǎn)生微裂縫，使混凝土壓碎，抗剪承載力反而下降。

　　2.4 剪壓比

　　為了防止框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)出現(xiàn)斜拉破壞或斜壓破壞，必須控制剪壓比，即限制配箍率，避免框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土的破壞先于箍筋的屈服。

　　2.5 水平箍筋

　　在框架節(jié)點(diǎn)內(nèi)配置水平封閉箍筋，一方面對(duì)框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土產(chǎn)生有利約束，增強(qiáng)傳遞軸向荷載的能力，另一方面承擔(dān)部分水平剪力，提高框架節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力。試驗(yàn)表明，配箍適當(dāng)?shù)目蚣芄?jié)點(diǎn)核芯區(qū)出現(xiàn)貫通裂縫后，混凝土承擔(dān)的剪力繼續(xù)增加，箍筋全部屈服，混凝土與箍筋同時(shí)充分發(fā)揮作用，使節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)受剪承載力在破壞時(shí)達(dá)到最大。對(duì)于配箍較高的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)產(chǎn)生貫通斜裂縫時(shí)，混凝土抗剪承載力達(dá)極值，但箍筋應(yīng)力還很低，混凝土破壞先于箍筋屈服，使得節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的抗剪承載力達(dá)不到預(yù)期的最大值，箍筋不能充分發(fā)揮作用。

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　　2.6 豎向箍筋

　　在水平反復(fù)荷載作用下，框架節(jié)點(diǎn)核芯混凝土出現(xiàn)交叉斜裂縫后，剪力的傳遞由斜壓桿作用過渡到水平箍筋承擔(dān)水平分力、柱縱向鋼筋承擔(dān)豎向分力以及平行于斜裂縫的混凝土骨料咬合力所構(gòu)成的桁架抗剪機(jī)制，設(shè)置豎向箍筋可承擔(dān)框架節(jié)點(diǎn)剪力的豎向分量，減少混凝土的負(fù)擔(dān)，從而提高框架節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力，但施工不便。

　　2.7 柱縱向鋼筋

　　柱縱向鋼筋通常按抗彎要求設(shè)置，沿柱截面的高度方向，按構(gòu)造規(guī)定也相應(yīng)配置一定數(shù)量的縱向鋼筋。這些縱筋與水平箍筋聯(lián)合對(duì)框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土形成雙向約束。因此，合理布置柱縱向鋼筋對(duì)提高框架節(jié)點(diǎn)抗剪承載力有一定貢獻(xiàn)，但增加柱縱向鋼筋不像增加水平箍筋那樣能顯著地提高框架節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力。

　　2.8 直交梁

　　國內(nèi)外的實(shí)際震害與試驗(yàn)研究表明，垂直于框架平面與節(jié)點(diǎn)相交的直交梁對(duì)框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土具有約束作用，從而提高框架節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力。但是，如果斜向地震的雙軸效應(yīng)使兩個(gè)方向梁的縱筋都屈服，則降低了直交梁對(duì)節(jié)點(diǎn)的約束作用。對(duì)于僅一側(cè)有直交梁的框架節(jié)點(diǎn)，抗剪性能并未改善框架節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力。

　　2.9 樓板

　　框架節(jié)點(diǎn)四周的樓板對(duì)節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)具有約束作用，與梁軸平行的樓板鋼筋與梁上部受力鋼筋協(xié)同工作。如果考慮樓板作為梁翼緣在受彎過程中發(fā)揮的作用，則應(yīng)相應(yīng)地提高節(jié)點(diǎn)的剪力計(jì)算值。

　　2.10 預(yù)應(yīng)力作用

　　對(duì)鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)施加預(yù)應(yīng)力，可使框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土增加約束，處于雙向受力狀態(tài)，從而提高框架節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力。但通過框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，削弱核芯區(qū)混凝土的面積，降低框架節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力。因此，對(duì)于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)，可將預(yù)應(yīng)力作用對(duì)框架節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力的提高作為結(jié)構(gòu)的安全度儲(chǔ)備。

　　2.11 偏心影響

　　在高層建筑設(shè)計(jì)中，為了使建筑立面產(chǎn)生與外墻或柱面齊平的效果或產(chǎn)生凹凸錯(cuò)落的效果，經(jīng)常要求梁、柱中心線錯(cuò)開，甚至要求梁側(cè)面與柱側(cè)面重合，出現(xiàn)大量的大偏心框架節(jié)點(diǎn)，這時(shí)框架節(jié)點(diǎn)受到附加扭矩之類的次內(nèi)力作用，剪力在節(jié)點(diǎn)內(nèi)的傳遞比較復(fù)雜。通過實(shí)際震害和試驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，與無偏心框架節(jié)點(diǎn)相比，偏心框架節(jié)點(diǎn)抗剪承載力明顯下降。

　　2.12 異形柱節(jié)點(diǎn)

　　T型柱框架節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力較低，框架節(jié)點(diǎn)在梁一屈服后馬上進(jìn)入通裂狀態(tài)。當(dāng)梁寬大于柱腹板寬度時(shí)，處于柱腹板外的梁縱筋在節(jié)點(diǎn)處錨固較差。

　　2.13 反復(fù)荷載

　　在反復(fù)荷載作用下，材料強(qiáng)度和構(gòu)件強(qiáng)度降低，粘結(jié)錨固性能退化，剪切變形加大。由于框架節(jié)點(diǎn)內(nèi)剪應(yīng)力方向交替變化，核芯區(qū)斜向裂縫的張開與閉合交替產(chǎn)生，導(dǎo)致框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)抗剪承載力和剪切剛度降低?？蚣芄?jié)點(diǎn)兩側(cè)的梁縱向鋼筋可能產(chǎn)生一側(cè)受拉達(dá)到屈服，另一側(cè)受壓達(dá)到屈服，產(chǎn)生很高的粘結(jié)應(yīng)力，使鋼筋滑移，發(fā)生粘結(jié)破壞。隨著梁端變形的逐步增加，框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)抗剪承載力相應(yīng)逐漸衰減。

　　2.14 斜向地震的雙軸效應(yīng)

　　當(dāng)?shù)卣鹱饔梅较蚺c建筑物主軸方向不一致時(shí)，可能使兩個(gè)方向的梁都達(dá)到屈服，這時(shí)作用于節(jié)點(diǎn)對(duì)角斜面上的水平剪力約為其中一個(gè)方向的2倍，然而斜裂縫遇到的箍筋與一個(gè)方向受剪時(shí)遇到的箍筋數(shù)目仍然相同。如果這些水平箍筋與柱截面各邊平行，則鋼筋的斜向分力僅僅是單向受剪時(shí)可抵抗剪力的1/2。對(duì)于雙向?qū)ΨQ的框架，雙向受剪所需要的剪力鋼筋約為單向受剪所需剪力鋼筋的2倍。因此，斜向地震作用下，框架節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度迅速降低，梁筋較早出現(xiàn)粘結(jié)滑移破壞。

　　3 建議

　　通過以上對(duì)影響鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能的各種因素的討論，在鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)上，綜合“概念設(shè)計(jì)”和“構(gòu)造措施”，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全經(jīng)濟(jì)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 唐九如，鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震，東南大學(xué)出版社, 1989.

　　[2] 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2001，中國建筑工業(yè)出版社，2001.

　　[3] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2002，中國建筑工業(yè)出版社，2002.