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構的延性設計上，“強剪弱彎，弱梁強柱，更強節(jié)點”已經成為工程界的共識。這種“能力設計”的思路確保鋼筋混凝土結構在地震作用下，依次在梁端和柱端出現塑性鉸，通過塑性耗能機構避免在較強的地震作用下結構產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)點在結構達到預計的最不利非彈性反應之前不應出現剪切失效，并具有一定的耗能能力。
    鋼筋混凝土框架結構的延性是反映結構在荷載作用下，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。對于延性大的結構，其產生的塑性變形也大，但永久變形太大，結構可能在重力作用下引起坍塌，也可能使結構的損壞部位不可修復。因此，在鋼筋混凝土框架結構的設計上，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、柱傳來的內力（M、N、V、T）在框架節(jié)點核芯區(qū)的傳遞和由此產生的各種破壞型式。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，應用于各種不同的破壞型式和設計規(guī)范中。新西蘭的框架節(jié)點設計以斜壓桿和桁架機理共同作用為依據，美國則以梁剪機理和斜壓桿機理為主。而我國《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011—2001）中用于抗震框架節(jié)點設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《混凝土結構設計規(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錨固能力下降，在框架節(jié)點的高粘結應力區(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)內錨固，節(jié)點核芯區(qū)受力較復雜，易產生破壞。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。當混凝土出現裂縫時，混凝土塊體間產生咬合力。隨著軸壓比的增大，抗剪承載力相應增大，但當軸壓比超過某一臨界值時，框架節(jié)點受壓區(qū)混凝土產生微裂縫，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)混凝土產生有利約束，增強傳遞軸向荷載的能力，另一方面承擔部分水平剪力，提高框架節(jié)點的抗剪承載力。試驗表明，配箍適當的框架節(jié)點核芯區(qū)出現貫通裂縫后，混凝土承擔的剪力繼續(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，當節(jié)點核芯區(qū)產生貫通斜裂縫時，混凝土抗剪承載力達極值，但箍筋應力還很低，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
    在水平反復荷載作用下，框架節(jié)點核芯混凝土出現交叉斜裂縫后，剪力的傳遞由斜壓桿作用過渡到水平箍筋承擔水平分力、柱縱向鋼筋承擔豎向分力以及平行于斜裂縫的混凝土骨料咬合力所構成的桁架抗剪機制，設置豎向箍筋可承擔框架節(jié)點剪力的豎向分量，減少混凝土的負擔，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置，沿柱截面的高度方向，按構造規(guī)定也相應配置一定數量的縱向鋼筋。這些縱筋與水平箍筋聯合對框架節(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。