（土木工程专业论文）地震荷载作用下rc空间节点梁板协同工作试验研究.pdf

1一j；1 i i t l l l l l l l ll l l l l l l l l l l l l l l l l l1 tll t y 1 7 8 9 0 6 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 2 0 l o 0 5 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：高等利 导师硌李张噎，吼 jl 摘要 摘要 钢筋混凝土框架结构在汶川地震中发生大量“强梁弱柱 型破坏，没有实现 现行设计规范要求的“强柱弱梁 破坏，其重要原因之一是对楼板与梁的协同工 作考虑不足。本文设计了3 个钢筋混凝土中柱空间节点试件，其中1 个不带楼板的 钢筋混凝土框架中柱节点试件、2 个带楼板的钢筋混凝土框架中柱节点试件，对 不带楼板的试件和1 个带楼板的试件在1 个方向( 单向、平面) 施加低周反复荷载， 研究其在地震作用下受力全过程中楼板与梁协同工作作用，对另1 个带楼板的试 件在斜向施加低周反复荷载，研究其在斜向( 9 2 向、空间) 地震作用下楼板与梁 协同工作作用。主要成果和结论如下： ( 1 ) 在单向荷载作用下，带楼板试件梁端的斜裂缝比不带楼板试件多，不 带楼板试件表现为上下缘混凝土压碎的弯曲破坏，带楼板试件表现为梁下缘混凝 土压碎脱落破坏、上缘混凝土楼板完好的形态；带楼板试件在双向荷载作用下板 顶沿对角线方向的裂缝比单向荷载作用下明显，破坏形态除柱子角部发生轻微损 伤外与单向荷载作用下带楼板试件相同。 ( 2 ) 不论是单向加载还是双向加载，楼板的协同工作宽度随加载位移增加 而增大；单向荷载作用下梁端负弯矩截面屈服和最大承载力时楼板协同工作有效 宽度分别为8 倍和1 2 倍楼板厚度；双向荷载作用下梁端负弯矩截面屈服和最大承 载力时楼板协同工作有效宽度分别为l o 倍和1 4 倍楼板厚度。 ( 3 ) 在单向荷载作用下，带楼板试件梁端负弯矩截面受弯承载力比不带楼 板试件提高了约1 2 0 1 4 0 ，由于梁下缘混凝土压碎脱落破坏经过最大承载力 后承载力迅速下降延性较小；带楼板试件梁端f 弯矩截面受弯承载力比不带楼板 试件提高了约2 0 ，由于上缘混凝土楼板完好直至钢筋拉断延性良好。 ( 4 ) 由于在双向荷载作用下，2 个方向的梁会发生扭转，梁端负弯矩截面受 弯承载力比单向荷载作用下降低了约1 0 ，而梁端正弯矩截面受弯承载力与单向 荷载作用基本相同。 ( 5 ) 在柱子承载力较高，1 个方向加载后柱子损伤不太大的情况下，再在另 1 个方向加载时，不带楼板试件梁的破坏形态及承载力与前l 方向加载基本相同； 而由于前1 加载过程中楼板的损伤，带楼板试件虽然梁的破坏形态基本一致，但 其承载力略有下降。 关键词：钢筋混凝土，梁一板一柱空间节点，梁一板队同工作，抗弯承载力，抗震性 能 i 1一r a b s t r a c t a b s t r a c t r e i n f o r c e dc o n c r e t ef r a m es t r u c t u r ep r e s e n t e d ”s t r o n gb e a ma n dw e a kc o l u m n ”f a i l u r e m o d ei nt h ew e n c h u a ne a r t h q u a k e ，n o tr e a l i z i n gt h e ”s t r o n gc o l u m na n dw e a kb e a m ”d a m a g ei n c u r r e n td e s i g n o n eo ft h e i m p o r t a n tr e a s o n si si n a d e q u a t ec o n s i d e r a t i o nt ot h es l a b p a r t i c i p a t i o ni nf l e x u r a lb e h a v i o ro fb e a m 1 1 1 ep a p e rd e s i g nt h r e es p e c i m e n s ，n a m e l y o n eb e a m - c o l u m ni o i n ts p e c i m e no fr e i n f o r e e dc o n c r e t ef r a m ew i t h o u ts l a ba n dt w o b e a m c o l u m nj o i n ts p e c i m e n so fr e i n f o r e e dc o n c r e t ef r a m ew i t hs l a b i m p o s eo no n e b e a m - c o l u m nj o i n ts p e c i m e no fr e i n f o r c e dc o n c r e t ef r a m ew i t h o u ts l a ba n do n e b e a m c o l u m nj o i n ts p e c i m e n so fr e i n f o r c e dc o n c r e t ef r a m ew i t hs l a bap l a n ec y c l i c l o a d i n g ，a n dt h e nt os t u d yt h es l a bp a r t i c i p a t i o ni nf l e x u r a lb e h a v i o ro fb e a ma tt h ew h o l e p r o c e s su n d e rp l a n ee a r t h q u a k el o a d i m p o s eo no n eb e a m - c o l u m nj o i n ts p e c i m e n so f r e i n f o r c e dc o n c r e t ef l a m ew i t hs l a bas p a c ec y c l i cl o a d i n g ，a n dt h e nt os t u d yt h es l a b p a r t i c i p a t i o ni nf l e x u r a lb e h a v i o ro fb e a mu n d e rs p a c ee a r t h q u a k el o a d t h ec r e a t i v e r e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u n d e ro n ed i r e c t i o nl o a d s ( p l a n el o a d s ) ，i n c l i n e dc r a c k so fe n do ft h eb e a m w i t hp l a t ea r em o r et h a nt h a to fe n do ft h eb e a mw i t h o u tp l a t e s p e c i m e nw i t h o u ts l a b s h o w e df l e x u r a lf a i l u r eo fc o n c r e t ec r u s h i n ga tt h eu p p e ra n dl o w e re d g eo fb e a m s p e c i m e n w i t hs l a bs h o w e dc o n c r e t ec r u s h i n ga tt h el o w e re d g ea n dc o n c r e t ef l o o ri ng o o dc o n d i t i o na t t h eu p p e re d g eo fb e a m a st ob e a m - c o l u m nj o i n ts p e c i m e n so fr e i n f o r e e dc o n c r e t e f r a m ew i t hs l a b ，t o pp l a t ec r a c k sa l o n gt h ed i a g o n a ld i r e c t i o nu n d e rt w od i r e c t i o n l o a d si sm o r eo b v i o u st h a nu n d e ro n ed i r e c t i o nl o a d s ，a n df a i l u r em o d ei st h es a m et o s p e c i m e nw i t hs l a bu n d e ro n ed i r e c t i o nl o a d sa p a r tf r o mm i n o ri n j u r i e si nt h ec o l u m nc o m e r ( 2 ) b o t hu n d e r o n ed i r e c t i o nl o a d so rt w od i r e c t i o nl o a d s ，t h ew i d t ho fs l a bp a r t i c i p a t i o ni n f l e x u r a lb e h a v i o ro fb e a mi sg e t t i n gb i g g e ra n db i g g e ra sl o a di n c r e a s i n g u n d e ro n e d i r e c t i o n1 0 a d e f f e c t i v ef l a n g ew i d t ho fs l a bs h o u l db et a k e n8t i m e st h i c k n e s sf o r y i e l ds t a t ea n d12t i m e st h i c k n e s sf o rl i m i ts t a t e u n d e rt w od i r e c t i o n1 0 a d s e f f e c t i v e f l a n g ew i d t ho fs l a bs h o u l db et a k e n10t i m e st h i c k n e s sf o ry i e l ds t a t ea n d14t i m e s t h i c k n e s sf o rl i m i ts t a t e ( 3 ) u n d e ro n ed i r e c t i o nl o a d s ，f l e x u r a lc a p a c i t yo fn e g a t i v ec r o s s s e c t i o no fb e a m w i t hs l a bt h a nt h a to fb e a mw i t h o u ts l a bi n c r e a s e sb ya b o u t12 0 14 0 a n d c o n c r e t ec r u s h i n ga tt h el o w e re d g eo fb e a m f l e x u r a lc a p a c i t yo fn o r m a lc r o s s s e c t i o no f b e a mw i t hs l a bt h a nt h a to fb e a mw i t h o u ts l a bi n c r e a s e sb ya b o u t2 0 a n dc o n c r e t e f l o o ri ng o o dc o n d i t i o na tt h eu p p e re d g eo fb e a mu n t i ls t e e ls n a p ( 4 ) u n d e rt w od i r e c t i o nl o a d s ，t w od i r e c t i o nb e a m sw i l lt w i s tt o g e t h e r ，a n dt h e n f l e x u r a lc a p a c i t yo f n e g a t i v ec r o s s - s e c t i o no f b e a mi n c r e a s e sb ya b o u t1 0 t h a nu n d e r o n ed i r e c t i o nl o a d h o w e v e r f l e x u r a lc a p a c i t yo fn o r m a lc r o s s s e c t i o no fb e a mi st h e l_ -r，t 北京丁业人学t 学硕l j 学位论文 s a m ea st h a tu n d e ro n ed i r e c t i o n1 0 a d ( 5 ) i nt h ec a s eo fh i g h e rc o l u m nb e a r i n gc a p a c i t ya n dl i g h tc o l u m nd a m a g ea f t e ro n e d i r e c t i o nl o a d ，f a i l u r em o d ea n db e a t i n gc a p a c i t yo fs p e c i m e nw i t h o u ts l a bi sn e a r l yt h es a m et o t h a tu n d e rt h ep r e v i o u sd i r e c t i o n s i n c ef l o o rd a m a g eu n d e rt h ep r e v i o u sd i r e c t i o n ，f a i l u r em o d eo f b e a mw i t hs l a bi sn e a r l yt h es a m e ，t h o u g hb e a r i n gc a p a c i t yw e n td o w ns l i g h t l y k e yw o r d s ：r e i n f o r c e dc o n c r e t e ；b e a m s l a b - c o l u m ns p a c ej o i n t ；s l a bp a r t i c i p a t i o n i nf l e x u r a lb e h a v i o ro fb e a m ；f l e x u r a lc a p a c i t y ；e a r t h q u a k er e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e i v 同录 目录 摘 要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论一1 1 1 引言一1 1 2 论文选题的背景及意义3 1 3 框架节点梁板协同工作的国内外研究现状一3 1 4 框架节点梁板协同工作的国内外规范现状一4 1 5 本文主要研究内容6 1 6 本章小结7 第2 章梁板协同工作的试验9 2 1 试验概况9 2 1 1 试件设计与施工一9 2 1 2 试验前的准备工作：1 2 2 1 3 试验所需仪器1 2 2 2 试验方案1 2 2 2 1 试验方法1 2 2 2 2 边界条件1 4 2 2 3 加载设备15 2 2 4 加载制度1 5 2 2 5 测试内容及测试方法16 2 3 本章小结1 7 第3 章单向地震荷载作用下梁板协同工作对比分析1 9 3 1 试验现象19 3 1 1 无板试件东西向加载试验现象1 9 3 1 2 带板试件东西向加载试验现象2 0 3 2 滞回曲线2 1 3 2 1 东西向加载滞回曲线分析2 1 3 2 2 南北向加载滞回曲线分析一2 6 3 3 骨架曲线一2 8 3 3 1 东西向加载骨架曲线分析2 9 3 3 2 南北向加载骨架曲线分析一3 2 3 4 单向地震荷载下承载力分析一3 2 3 5 单向地震荷载下板参与梁工作范围分析3 4 3 6 单向地震荷载下梁板协同工作计算分析3 5 3 6 1 基本假定3 5 3 6 2 梁端屈服弯矩一3 6 3 7 本章小结3 8 第4 章双向地震荷载作用下梁板协同工作性能分析4 1 4 1 试验现象一4 1 4 2 滞回曲线一4 2 v 北京t q k 大学t 学顺卜f 节论史 4 2 1 试件p 一滞网曲线4 2 4 2 2 梁端纵筋应力滞叫曲线一4 4 4 2 3 板中钢筋应力滞回曲线4 5 4 3 骨架曲线4 6 4 3 1 试件p 一骨架曲线4 6 4 3 2 梁端纵筋应力骨架曲线4 6 4 3 3 板中钢筋应力骨架曲线4 7 4 4 双向地震荷载下承载力分析4 8 4 5 双向地震荷载下板参与梁工作范围分析。4 9 4 6 双向地震荷载下梁板协同工作计算分析一5 1 - 4 7 板有效宽度的建议5 2 4 8 各试件延性分析一5 3 4 9 本章小结5 4 结论与展望一5 7 参考文献一6 1 - 附录全部试件钢筋应力滞回曲线及骨架曲线6 5 攻读硕士学位期间所发表的学术论文一1 1 5 致谢11 7 v i i j 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 地震与风、霜、雨、雪一样，都是地球上经常发生的自然现象，前者是发生 在地面以下的自然现象，而后者则是发生在大气层罩的自然现象。强度低的地震 在全球范围内是经常发生的，而且小地震的发生区域很广。对绝大多数的小地震， 人是感觉不到的，对工程结构不会造成危害。强度高的地层虽然发生的频率较低， 但会使建( 构) 筑物破坏、倒塌，严重危害生命和财产的安全。特别当这种大地 震发生在经济发达、人口稠密的地区时、造成的灾害往往是灾难性的。 世界上破坏性的地震平均每年发生约1 8 次，这些地震给人类造成了巨大的人 员伤亡和财产损失。2 0 世纪以来，地震导致了近1 3 0 万人死亡和近千万人严重伤 残，而造成的经济损失高达数千亿美元。我国地处世界上两个最活跃的地震带， 东濒临环太平洋地震带，西部和西南部是欧亚地震带所经过的地区，是世界上多 地震国家之一，也是世界上地震灾害损失最为惨重的国家之一。据统计，我国有 4 1 的国土及一半以上的城市位于地震基本烈度7 度或7 度以上的地区，6 度及其 以上的地区则占国土面积的7 9 。在2 0 世纪有3 3 的陆上破坏性地震发生在我 国，死亡人数约6 0 万，占全世界同期因地震死亡人数的一半左右。2 0 世纪死亡 2 0 万人以上的大地震全球共两次，都发生在我国，一次是1 9 2 0 年宁夏海原8 5 级 地震，死亡2 3 万多人；另一次是1 9 7 6 年唐山7 8 级地震，死亡2 4 万多人。近期发 生的四川汶川8 级大地震至少造成8 万多人死亡，受伤近3 7 万多人，受灾人口达 4 6 2 4 万人。大地震造成的经济损失更是不计其数，如1 9 7 6 年的唐山地震的直接经 济损失近百亿元，顷刻之间使一座百万人口的工业城市成为废墟，汶川地震的直 接经济损失超过8 4 0 0 亿元。 一旦地震来临，人们的第一反应是迅速离开建筑物及工程结构，这说明人们 对现有建筑物与工程结构在地震中的表现缺乏安全感。从根本上来说，目前对于 地震的发生、影响和作用等环节还有许多问题有待于进一步探讨。这种情况下， 工程技术人员的责任就是利用现有的研究成果对未来可能遇到的地震精心设防， 尽量减轻震害，保护人民的生命和财产安全。 此次的汶川大地震震级为罩氏8 0 级，极震区烈度达到l l 度，是新中国成 立以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震。汶川大地震具有以下几方面的特 点： ( 1 ) 震级高、烈度大 r i 北京t 业人学下学顾l ：学位论文 汶川地震震级为罩氏8 o 级、烈度达到1 1 度，无论是震级还是烈度都超过 了邢台地震、唐山地震等几次造成严重破坏的大地震，震级高烈度大也是造成灾 区大量建筑物破坏倒塌和大量人员伤亡的主要原因。 ( 2 ) 断层错动持续时间长 汶川地震从发震机理上讲是断层错动上盘往上升，从而引发地震。断层错动 时间长达二十二点二秒，已经超过了唐山地震的十二点九秒，错动时间长，人们 感受到强震的时问越长，从而建筑物的摆幅持续时间越长。 ( 3 ) 波及面积大、范围广 由于断层错动的原因，汶川地震属挤压断裂，错动方向是北东方向，也就是 说汶川的北东方向受影响比较大，它的西部情况就会好一些。此次地震不仅在震 中区附近造成灾难性的破坏，而且在四川省和邻近省市造成大范围破坏，其影响 甚至波及到全国绝大部分地区乃至境外，据称几乎整个东南亚和整个东亚地区都 有震感，是我国大陆发生的破坏性最为严重的板内地震。 ( 4 ) 诱发次生灾害多 汶川地震主要发生在山区，由地震引发的破坏性比较大的崩塌、滚石加上滑 坡等次生灾害和地质灾害比较多。另外，因为四川地区水系较多，由于地震引发 的山体滑坡堵塞河流形成的堰塞湖也比较多，对河流下游地区的安全造成了极大 的威胁。 在汶川地震造中，多种结构都遭受严重破坏，对于框架结构，柱端产生塑性 铰，且底层最为严重如图l l 所示，甚至导致结构倒塌，梁柱节点发生剪切破坏， 使得结构成为机构，无法再承受荷载，进而使得结构整体破坏。因此，如何保证 节点在强震作用下的安全是一个重要的课题。 然而，在我国钢筋混凝土结构仍将是新建抗震设防建筑结构中应用比例最大 的结构形式，加之我国钢筋混凝土高层建筑结构的建造面积仍将继续在世界各国 中居于首位，这就使钢筋混凝土结构抗震性能、抗震减震理论和抗震减震技术的 深入研究和发展具有充分的空间。 图l l 汶川地震中某框架结构底层破坏 f i g l ld a m a g ea tt h eb o t t o mo faf r a m es t r u c t u r ei nt h ew e n c h u a ne a r t h q u a k e 2 第l 章绪论 1 2 论文选题的背景及意义 随着我国经济建设的进一步深入，人们生活水平及安全意识日益提高，城市 用地也同趋紧张，加之钢筋混凝土材料由于自身的特点( 耐久性及可靠性较好) ， 对地震灾害有优良的抵御能力，因此，在城镇房屋建筑中，钢筋混凝土框架结构 将是理想的选择。 在地震作用下，“强柱弱梁”的框架结构破坏形式普遍被认为是一种理想的 结构抗震破坏形式，现行规范中的很多规定都围绕此概念展开。目前的结构设计 对钢筋混凝土框架结构采用的计算模型为纯杆模型或杆壳模型，根据模型的计算 结果得出构件配筋，预期在地震作用下，裂缝先在梁上充分发展梁端塑性铰可 以先于柱端形成。然而，实际震害与众多国内外试验结果表明，在现浇钢筋混凝 土框架结构中，多数塑性铰首先在柱端出现，结构的最终破坏形式为“强梁弱柱”， 未能很好实现延性耗能的目的，并与“强柱弱梁”的设计思想完全相悖。由此可 见带楼板的现浇钢筋混凝土框架结构的实际受力机理与目前结构设计中采用的 计算模型的受力形式之间存在着很大的差异。造成该差异的原因在于未能合理模 拟结构中的现浇楼板。因此，研究现浇楼板对框架梁受力的影响，将对有效实现 “强柱弱梁”的破坏形式有非常重大的意义。 在实际现浇钢筋混凝土结构工程中，多数框架结构为空间框架结构，梁柱中 节点四周有相互垂直的梁并带有楼板。在地震力作用下，两个主轴方向的梁将同 时受力，梁柱节点将受到两个主轴方向的梁传来的弯矩和剪力以及柱子传来的轴 向力、弯矩和剪力。而在工程中，对空间框架节点的设计，是将其视为两个主轴 方向带直交梁的平面框架，分别承受各自方向的地震力，显然这是不合理地。为 此本文主要就空间荷载作用下现浇楼板对框架梁的抗弯承载力问题进行了较为 深入的研究。 1 3 框架节点梁板协同工作的国内外研究现状 此次汶川地震中，大量建筑物呈现“强梁弱柱”的破坏形式，而在各国的设计 规范中，都是把“强柱弱梁”作为抗震措施的重要一条。以下是国内外学者对此问 题的研究。 美国m r e h s a n i 等人于1 9 8 2 年曾做了6 个带直交梁和楼板( 板厚4 英寸) 的足尺边节点试验，设计时考虑梁的每侧只有二根楼板纵向钢筋参与梁的抗弯 作用，但是实测表明，4 0 英寸宽的楼板内所有板筋都达到屈服，导致梁的抗弯 强度增大，结果造成塑性铰在板面以上的柱端形成。因此他们建议在实际结构中 对于带楼板和卣交梁的节点，在计算梁的抗弯强度时，应考虑主梁每侧至少各一 北京t , l k 人学t 学硕l ：学位论文 倍梁宽范围内的楼板纵向钢筋作用，即有效宽度为3 倍梁宽。 1 9 8 7 年同济大学和中国建筑科学研究院与同本、新西兰和美国进行合作了6 个足尺的双向节点试验【2 】，其中有两个是带楼板( 板厚1 0 0m m ，配有双层双向钢 筋( p l o 1 7 5m m ) 的双轴受力节点。试验表明，楼板明显提高了梁负弯矩抗弯能 力，楼板的有效宽度随位移延性加大而增大，当u z x = 1 时，影响宽度达7 4 0m i l l ， 当u x = 3 时达17 3 2m l t l 。 p a n t a z o p o u l o u 等人曾建议了一种确定板的有效宽度的理论方法【3 】，该方法首 先假设了在板截面中的非线性应变分布函数，然后根据钢筋性能、梁中最大应变 和板的最大宽度导出一个有效板宽的表达式，并给出了适用于中间节点和端节点 的不同模型。但美国的一些学者如f r e n c h 等人对p a n t a z o p o u l o u 的模型分析后认 为，板对梁抗弯能力的贡献取决于一系列变量，其中包括节点的类型( 中间节点 还是端节点) 直交梁刚度，侧向变形的水准以及水平加载的特征( 单轴还是双轴) ， 当前看来还没有找到能适当考虑所有有关变量的解析解。 1 9 9 4 年东南大学的蒋永生，陈忠菹，周绪平等人做了没有板的框架中间 节点和梁与板整浇的框架中间节点两个试件的对比试验研究【4 】，其加载方式为在 柱顶施加轴向荷载后，进行反复荷载试验。试验表明：l 、由于板内钢筋参与工 作，支座负屈服弯矩比无板的提高约3 0 。而楼板对支座正屈服弯矩基本无影 响。因此，当梁端上部受拉时，应考虑平行于框架梁且有足够锚固长度的板内钢 筋参与工作，并认为可近似取梁每侧六倍板厚范围作为板的有效宽度。2 、当符 合强柱弱梁要求的条件下，板参与工作后，对节点的抗震性能无多大影响。 美国学者f r e n c h 等人收集和总结了各国2 0 个梁一板一柱节点( 1 3 个中节点， 7 个端节点) 试验结梨引，对获得的数据进行分析后认为，如果将板的有效宽度取 为a c i 规范规定的有效宽度，则计算出的抗弯强度就将接近于实测的当层间水 平位移角为2 ( 约相当于位移延性系数为4 ) 时的抗弯强度；同时f r e n c h 也指出， 由于板的作用是极其复杂的，它与许多变量有关，而目前所获得的实验数据依然 非常有限，因此目前对板有效宽度的确定仍然带有很大的近似性。 1 4 框架节点梁板协同工作的国内外规范现状 l 、目前中国规范现状 我国新颁布实施的混凝土结构设计规范( g b5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 和建筑抗 震设计规范( g b5 0 0 11 - - 2 0 0 1 ) 提高了“强柱弱梁”的弯矩增大系数，规定9 度及 一级框架结构尚应考虑框架梁的实际受弯承载力：并在建筑抗震没计规范条 文说明中指出“弯矩增大系数考虑了一定的超配钢筋和钢筋超强”，但对框架梁翼 缘现浇板内与梁肋平行的钢筋参与梁端负弯矩承载能力的问题，新规范仍未作明 jj 第1 章绪论 确的规定，只是在建筑抗震设计规范条文说明中附带指出，当计算梁端抗震 承载力时，若计入楼板内的钢筋，且材料强度标准值考虑一定的超强系数，则可 以提高框架结构“强柱弱梁”的程度【6 】【7 1 。 2 、国外规范对板筋参与梁端负弯矩受力的规定 在考虑板筋参与问题上各国思路之间有原则性差别。其中新西兰规范明确规 定，在进行梁端截面抗负弯矩设计时，即确定设计所需的负弯矩钢筋时，可以考 虑板有效宽度范围内的与梁肋平行的上板面和下板面板筋作为负弯矩受拉钢筋 的组成部分。因此，按该规范算出的梁负弯矩筋就只是除去相应板筋外所需要的 受拉钢筋。当按实配确定梁端抗弯能力时，自然就必须把已考虑的板筋计入，而 且在没有人为增大配筋量的前提下，考虑板筋后的梁端抗负弯矩能力与作用负弯 矩应没有大的差别。所以，按新西兰的上述思路，板筋不属于“超配”，自然在“强 柱弱梁”的措施中也就可以不考虑板筋引起的“超配”问题。 而美国a c i 规范，加拿大c s a 规范以及欧共体e c 8 规范在作梁端抗负弯矩 截面设计时与中国思路一样，未要求考虑板筋，但与中国规范不同的是，中国规 范是将设计所需的梁端负弯矩筋与无现浇板的框架梁一样布置在梁肋顶部的宽 度范围内，而这三本规范规定梁端计算出的负弯矩筋除了大部分应放在肋宽范围 内，少部分则可放在规范规定的一定板宽范围内。其中美国和加拿大规范认为这 样做的目的是避免上部板筋过于拥挤和避免在临近梁肋的板内出现过宽的裂缝。 因此，当按实配确定梁端抗弯能力并考虑有效宽度内与梁筋平行的钢筋时，这部 分钢筋可能既有原设计所需的受拉钢筋，又有额外的板筋，而只有额外的板筋才 属于“超配”部分。 “ 对于板的有效宽度，各国规范的不同规定是： 1 1 新西兰规范： 取有效板宽为下列规定中的较小值： ( 1 ) 从梁中心线向两侧各伸出梁跨度的1 4 ；( 2 ) 从梁中心线向两侧各伸出梁肋 间距的1 2 ；( 3 ) 对于与外柱相连的梁，当有直交边梁时，从梁中心线向两侧各伸出边 梁跨度的1 4 ；当无直交边梁时，从梁中心线向两侧各伸出一倍边柱宽。 2 1 美国规范： 美国a c i3 1 8 9 9 规范规定在按实配计算梁端的抗负弯矩能力时，有效板宽按 该规范第8 1 0 条取用，即与翼缘位于受压区时的有效板宽取值相同。具体规定为： 对于两侧有板的梁： ( 1 ) 总有效板宽不超过梁跨度的1 4 ；( 2 ) 有效板宽从梁每个侧边向外不超过板 厚的8 倍和梁肋净距的1 2 。 对于只有- n 有现浇板的梁，有效板宽取为从梁每个侧边向外不超过梁跨度 的1 1 2 、6 倍板厚和梁肋净距的1 2 的较小值。 a c i 规范第1 0 6 6 条同时规定应该将计算所需的负弯矩受拉俐筋的一部分分 r 1 1 北京y q k 人学t 学硕f ：学位论文 布在有效宽度或框架梁跨度十分之一的宽度范围内，两者耿较小值。 3 ) 加拿大规范： 加拿大c s a 规范对于两侧有板的梁，具体规定为： ( 1 ) 当为简支梁时，有效板宽取为从梁每个侧边i 削 1 - 不超过梁跨的1 5 ；( 2 ) 当为 连续梁时，有效板宽取为从梁每个侧边向外不超过梁跨的1 1 0 ；( 3 ) 有效板宽尚满足 从梁每个侧边向外不超过1 2 倍板厚和梁肋间距的1 2 。 对于只有一侧有板的梁，有效板宽从梁每个侧边向外不超过： ( 1 ) 梁跨度的1 1 2 ；( 2 ) 6 倍的板厚和梁肋间距的l 2 的较小值。 c s a 规范第l o 5 3 条同时规定应将计算所需的负弯矩受拉钢筋的一部分分 布在有效宽度或框架梁跨度的1 2 0 宽度范围内，两者取较小值；并规定这部分钢筋 面积不应小于翼缘面积0 4 。 4 ) 欧共体规范： e c 8 规范对有效宽度规定为： ( 1 ) 5 梁与边柱相连时，如无直交边梁，取有效宽度为柱宽；当有直交边梁时，则 取柱宽每侧加板厚；( 2 ) 当梁穿过中柱时，如无直交梁，取柱宽每侧加两倍板厚；当有 直交梁时，则取柱宽每侧加4 倍板厚。 这个宽度既是考虑参与梁端抗弯能力的板筋宽度，也是允许一部分计算所需 的梁负弯矩钢筋放在梁肋宽以外的现浇板内的宽度。 从以上规定可以看出，国外各规范之间除个别地方相似外，规定的方式和具体 数值有较大差别，因此有必要对各国规定的背景资料加以综合分析，并考虑我国规 范的具体情况，才能得出适用于我国设计界的有效建议。 1 5 本文主要研究内容 目前针对钢筋混凝土框架结构梁板协同作用的抗震理论和试验研究还有待 深入进行，本文制作了三个试件，即无板的钢筋混凝土框架中柱节点试件和两个 带板的钢筋混凝土框架中柱节点试件，并用不同的加载方式( 单向和双向) 进行 试验，研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 通过三个试件在不同加载方式下的低周反复加载试验，分析了各个试 件在加载过程中的试验现象。 ( 2 ) 通过1 个带板的钢筋混凝土框架中柱节点试件和1 个无板的钢筋混凝土 框架中柱节点试件在单向( 平面) 荷载作用下的低周反复加载试验，研究了板参 与工作对梁受弯承载力的影响。 ( 3 ) 通过2 个带板的钢筋混凝土框架中节点试件在单向( 平面) 荷载和双向 ( 空间) 荷载作用下的低周反复加载试验，对比了不同地震荷载作用下板参与工 卜 f 第1 奄绪论 作对梁受弯承载力提高的程度。 ( 4 ) 对比分析了带板的框架中柱节点在单向和双向加载方式下，板中钢筋 参与梁工作的范围。 1 6 本章小结 本章叙述了地震中框架结构的破坏形式，介绍了国内外的相关规范和研究概 况，并由此提出了本文课题，说明了本课题的研究意义和价值。最后对本课题研 究的主要内容作以介绍 i，r 第2 章梁板协同工作的试验 第2 章梁板协同工作的试验 钢筋混凝土框架中柱节点是带板梁和柱连接的部位，也是传力的关键部位。 多次地震震害表明，结构破坏主要发生在构成节点的柱端、梁端和节点核芯区， 节点的破坏将导致结构产生难以修复的破坏或局部楼层的塌陷，甚至引起整个结 构的倒塌。节点的破坏主要有梁端、柱端以及节点核芯区的破坏，由于楼板钢筋 的协同工作以及钢筋的强化等，导致梁的抗弯承载力远远大于其设计承载力，这 样以来，按“强柱弱梁”设计的节点，其破坏形式有可能呈现“强梁弱柱”的现象。 本章详细介绍了2 个带板钢筋混凝土框架中柱节点和1 个无板的钢筋混凝土框架 中柱节点在低周反复荷载下的加载试验。 2 1 试验概况 2 1 1 试件设计与施工 2 1 1 1 设计原则 本试验的目的是，研究地震作用下钢筋混凝土框架节点，板对提高梁端受弯 承载力的影响。首先面临选择何种节点形式的问题，由节点在框架中所处位置不 同，框架结构的节点基本形式有3 种，分别为：中节点，边节点和角节点。其中 边节点和角节点是不完全对称形式，受力较复杂。而中节点双向对称，受力简单， 便于分析，因此选用中节点。其次是梁柱承载力的设计，为了让梁充分发挥其受 弯承载力，以探究板中钢筋参与梁受弯工作的最大范围，本试验加强了柱子的设 计。 2 1 1 2 材料介绍 本文的三个试件在北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室浇 筑，所用混凝土为为c 4 0 碎石商品混凝土，同批浇筑的1 个无板的钢筋混凝土 框架中柱节点和2 个带板钢筋混凝土框架中柱节点均留有3 块 1 5 0 m m x l 5 0 m m 1 5 0 m m 的立方体试块和3 块1 5 0 m m 1 5 0 m m x 3 0 0 m m 的棱柱体 试块，试块与构件在同等条件下养护。钢筋采用热轧钢筋，每种截面尺寸均留三 根5 5 0 m m 的钢筋做拉伸试验。分析计算时，取混凝土试块和钢筋材料试验的实 测平均值。混凝- t - 和钢筋的力学性能分别见表2 1 和表2 2 。 北京t 业人学t 学硕i j 学位论文 表2 1 混凝十材料力学性能 t a b l e2 1m a t e r i a lp r o p e r t i e so fc o n c r e t e 混凝土强度等级立方体抗压强度( m p a )轴心抗压强度( m p a )弹性模量( m p a ) c 4 04 0 53 9 72 3 0 x1 0 4 表2 - 2 钢筋材料力学性能 t a b l e2 - 2m a t e r i a lp r o p e r t i e so fr e i n f o r c e m e n tb a r s 钢筋直径屈服强度极限强度弹性模量 钢筋种类代号延伸率( ) ( m m ) ( m p a )( m p a )( x 1 0 5 m p a ) 65 3 7 8 65 8 2 6 81 9 09 3 1 o l o4 1 9 54 5 4 3 51 8 97 5 0 1 63 9 85 1 5 7 51 8 62 0 4 2 查 2 2 3 5 2 65 8 4 21 8 31 9 3 2 2 1 1 3 试件设计与施工 无板的钢筋混凝土框架中柱节点试件l z 的立面如图2 1 所示，其设计尺寸 和截面配筋如下：柱截面尺寸为4 5 0 x 4 5 0 m m ，纵筋为直径2 2 m m 的l i 级螺纹钢 筋，箍筋为( p 1 0 1 0 0 的i 级光面钢筋，保护层厚度为3 0 m m ；梁截面尺寸为 1 7 5 x 3 5 0 m m ，纵筋为直径16 m m 的i i 级螺纹钢筋，箍筋为t p l o 1 0 0 的i 级光面 钢筋，保护层厚度为2 5 m m 。为了便于对比分析，2 个带板钢筋混凝土框架中柱 节点试件b l z l 、b l z 2 的立面如图2 2 所示，其设计尺寸、截面配筋彼此相同。 其中梁柱的设计尺寸及截面配筋均和试件l z 一样。板中纵向受力钢筋为( p 6 1 0 0 的i 级光面钢筋，板中构造钢筋( 通长配置) 为q 6 1 0 0 的i 级光面钢筋，板厚 是6 0 m m ，保护层厚度为1 0 m m 。试件详细尺寸与配筋隋况如图2 3 和图2 4 所 示。 图2 1 试什l z 立面图 f i g2 1e l e v a t i o no fs p e c i m e nl z 图2 - 2 试件b l z l ( b l z 2 ) 立面图 f i g2 - 2e l e v a t i o no fs p