影響鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震性能的因素

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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)計上，“強剪弱彎，弱梁強柱，更強節(jié)點”已經(jīng)成為工程界的共識。這種“能力設(shè)計”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，通過塑性耗能機構(gòu)避免在較強的地震作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重損傷和在更強地震作用下發(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)點在結(jié)構(gòu)達到預(yù)計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)點的受力機理指通過合理的計算假定模式，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：斜壓桿機理、剪摩擦機理、桁架機理。這三種框架節(jié)點的受力機理，應(yīng)用于各種不同的破壞型式和設(shè)計規(guī)范中。新西蘭的框架節(jié)點設(shè)計以斜壓桿和桁架機理共同作用為依據(jù)，美國則以梁剪機理和斜壓桿機理為主。而我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011—2001）中用于抗震框架節(jié)點設(shè)計的主要計算公式是用來確定節(jié)點水平箍筋用量的“框架節(jié)點核芯區(qū)抗震受剪承載力計算公式”，并未全面考慮到影響鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震性能的各種因素，值得進一步探討研究。
    2、影響鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震性能的因素
    2.1 材料強度
    混凝土強度直接影響框架節(jié)點抗剪承載力，對于承受一定荷載的框架節(jié)點，混凝土強度越高，則梁、柱的截面尺寸越小，框架節(jié)點核芯區(qū)混凝土的承剪截面也相應(yīng)減小，在一定配箍率下，對其抗震性能反而不利。
    我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2002）提倡使用HRB400級鋼筋，鋼筋強度雖然大于HRB335級鋼筋，在相同的設(shè)計條件下，用鋼量相對減少，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)點的高粘結(jié)應(yīng)力區(qū)，鋼筋和混凝土的共同作用相對較差，鋼筋易滑移。
    2.2 節(jié)點型式
    對于一榀平面框架，按框架節(jié)點所在位置，節(jié)點主要有四種基本型式：頂層邊柱節(jié)點（┏型）、頂層中柱節(jié)點（┳型）、中間層邊柱節(jié)點（┣型）和中間層中柱節(jié)點（╋型）。對于┏型節(jié)點，梁、柱的縱筋均需在框架節(jié)點核芯區(qū)內(nèi)錨固，節(jié)點核芯區(qū)受力較復(fù)雜，易產(chǎn)生破壞。對于┳型節(jié)點，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。對于┣型節(jié)點，柱抗彎承載力較大，“強柱弱梁”比較容易滿足，但梁筋的錨固相對薄弱，梁筋易發(fā)生粘結(jié)滑移，角柱節(jié)點受力最為不利。對于╋型節(jié)點，強震作用下，框架節(jié)點兩側(cè)梁端可能均達到屈服，框架節(jié)點核芯區(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
    試驗研究表明，在一定范圍內(nèi)軸向壓力可提高框架節(jié)點核芯區(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。當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時，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，框架節(jié)點受壓區(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)點內(nèi)配置水平封閉箍筋，一方面對框架節(jié)點核芯區(qū)混凝土產(chǎn)生有利約束，增強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)點的抗剪承載力。試驗表明，配箍適當(dāng)?shù)目蚣芄?jié)點核芯區(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，混凝土與箍筋同時充分發(fā)揮作用，使節(jié)點核芯區(qū)受剪承載力在破壞時達到最大。對于配箍較高的節(jié)點，當(dāng)節(jié)點核芯區(qū)產(chǎn)生貫通斜裂縫時，混凝土抗剪承載力達極值，但箍筋應(yīng)力還很低，混凝土破壞先于箍筋屈服，使得節(jié)點核芯區(qū)的抗剪承載力達不到預(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)成的桁架抗剪機制，設(shè)置豎向箍筋可承擔(dān)框架節(jié)點剪力的豎向分量，減少混凝土的負擔(dān)，從而提高框架節(jié)點的抗剪承載力，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)合對框架節(jié)點核芯區(qū)混凝土形成雙向約束。因此，合理布置柱縱向鋼筋對提高框架節(jié)點抗剪承載力有一定貢獻，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)點的抗剪承載力。
    2.8 直交梁
    國內(nèi)外的實際震害與試驗研究表明，垂直于框架平面與節(jié)點相交的直交梁對框架節(jié)點核芯區(qū)混凝土具有約束作用，從而提高框架節(jié)點的抗剪承載力。但是，如果斜向地震的雙軸效應(yīng)使兩個方向梁的縱筋都屈服，則降低了直交梁對節(jié)點的約束作用。對于僅一側(cè)有直交梁的框架節(jié)點，抗剪性能并未改善框架節(jié)點的抗剪承載力。