影響鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能的因素.doc

影響鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能的因素提 要 本文討論了影響鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能的一些因素，供鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)參考。關(guān)鍵詞 鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)；抗震性能；核芯區(qū)Some Factors on the Aseismic Behaviour of the Reinforced Concrete Frame JointsAbstract: Some factors on the aseismatic behaviour of the reinforced concrete frame joints are discussed in this paper, which may be reference to the aseismatic design in the reinforced concrete frame joints.Key words: reinforced concrete frame joints；aseismatic behaviour；core1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（GB500112001）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（GB500102002）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。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