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钢筋混凝土异形柱框架节点试验研究及非线性有限元分析 争业：工程力学 硕士生：陈昌宏 指导教师：吴敏哲教授 马乐为副教授 摘要 异形柱框架结构由于梁与柱腹板及翼缘的厚度相同，柱子截面肢高厚比大且 梁柱交接处钢筋密集，混凝土不容易振捣密实等，因此梁柱节点比矩形梁柱节点 薄弱。 本文进行了6 个t 形截面柱框架节点试件( 2 3 缩尺) 在低周期反复荷载作 用下的试验研究。其中，试件t - l 、t - 2 和t - 3 为第一组，梁截面高度h 为变化参 数，以考察柱翼缘宽度对节点抗剪性能的影响；试件t - 2 和t _ 4 为第二组，轴压 比鳓为变化参数，以考察轴压比 u 对节点区裂缝的开展与形成、节点的破坏机 理以及轴压比对节点抗剪性能的影响；试件t - 2 、t - 5 和 1 - 6 为第三组，节点区水 平箍筋体积配箍率为变化参数，以考察水平箍筋对节点抗剪性能的影响；同时， 针对不同的试验目的，对t 形节点的抗震性能，其中包括节点强度、梁纵筋锚固、 节点抗裂、节点延性和耗能进行研究。 本文对试件的破坏形态和裂缝形式进行深入分析，提出在低周期反复荷载作 用下t 形柱框架节点的裂缝呈反“k ”型、而不是类似于常规矩形节点的“x ” 型交叉裂缝。最后指出t 形柱框架节点的受力机理偏于较陡的斜压杆受力模型。 通过试验以及非线性有限元研究发现：节点区翼缘板外伸宽度对节点抗剪性 能的影响与梁柱抗弯刚度比有关。提出翼缘板对节点抗剪强度影响的修j 卜系数 f ，须考虑梁柱抗弯刚度比参数的影响，而不能按照混凝土异形柱结构技术规 程( 征求意见稿，2 0 0 3 ) 中仅以6 ，和b c 的差值6 厂眈来反映。 最后，通过有限元程序a n s y s 对节点进行非线性分析，对节点的破坏机理 和影响节点抗剪性能的因素等做出进步的验证。 关键词：异形柱节点反复荷载翼缘板 抗震性能a n s y s 非线性有限元 应用类型：应用基础研究 基金项目：陕西省自然科学研究计划资助项目( 2 0 0 1 c 3 3 ) 陕西省教育厅专项科研计划项目( 0 2 j k l 2 2 ) 本课题为陕西省自然科学基金项目子课题 e x p e r i m e n t a ls t u d ya n d n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so n t h es p e c i a l - s h a p e dc o l u m nj o i n t so fr e i n f o r e e d c o n c r e t ef r a m es t r u c t u r e s m a j o r ： c o n s t r u c t i o nm e c h a n i c s p o s t g r a d u a t e ： c h e nc h a n g h o n g i n s t r u c t o r ：w um i n z h ep r o f e s s o r m al e w e ia s s o c i a t ep r o f e s s o r a b s t r a c t b e c a u s et h et h i c k n e s so fb e a mi se q u a lt ow i n ga n db e l l yb o a r do fc o l u m n s ，a n d t h er a t i oo fh i g h n e s sa n dt h i c k n e s so ft h es p e c i a l s h 印e dc o l u m ns e c t i o ni sl a r g ea n d s t e e l sa r ed e n s ei nt h ej o i n t so fb e a ma n dc o l u m n ，c o n c r e t ei sh a r d l yf l a p p e da n ds o t h es p e c i a l s h a p e dc o l u m nj o i n t sa r ew e b e rt h a nt h er e c t a n g l ej o i n t s b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a t i o no f6f r a m ej o i n t sw i mt - s h a p e dc r o s ss e c t i o n c o l u m nu n d e rc y c l i cl o a d s t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ea n t i - s e i s m i cb e h a v i o ro f t h e j o i n t s a p p l y i n gi np r a c t i c e t h ef o l l o w i n gp r o b l e m sh a v eb e e na n a l y z e d ：f a i l u r ef o r mo f j o i n t s 、h y s t e r e t i cb e h a v i o r 、t h ea n c h n r a g eo f b e a mb a r sa n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so f t h e s t r e n g t h so f a n t i s h e a ra n ds oo n t h e j o i n t so f t - 1 、t - 2a n d q - 3a r et h ef i r s tg r o u p ，t - 2 a n d 1 - 4a r et h es e c o n dg r o u p ，t - 2 、t - 5a n dt - 6a r et h et h i r dg r o u p a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n ta i m s ，t h ep a p e r sr e s e a r c ht h ea n t i s h e a rp e r f o r m a n c er e f l e c t i o n so ft h eb e a m s e c t i o nh e i g h th 、t h ea x i s p r e s s e dr a t i oa n dt h eh o o ps t e e lr a t i o t h ep a p e rd e e p l ya n a l y z e st h ed e s t r u c tf o r ma n dc r a c ks h a p e t h ej o i n t s c r a c k s h a p ea p p e a r sr e v e r s e k b u tn o tt h er e c t a n g l ej o i n t s x ”s h a p e f i n a l l y , t h ep a p e r p o i n t so u tt h a tt h ee n d u r em e c h a n i s mi sl i a b l et ot h ei n c l i n e dp r e s s p o l em e c h a n i s m t h er e s e a r c h e so fn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n de x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h ee f f e c t o fa n t i s h e a rw h i c hi sa r o u s e db yt h ew i d t ho ft h ej o i n t s w i n gb o a r d f i n a l l y t h e p a p e rp o i n t so u tt h a tt h em o d i f i e dp a r a m e t e r fw h i c hr e f l e c ta n t i s h e a ri s r e l a t e d w i t ht h er a t i oo fa n t i b e n d i n gs t i f f n e s so fb e a ma n dc o l u m n ，b u tn o tj u s ta c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n c eo fb ja n d4 f i n a l l y ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h en o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sw i t ht h e u n i v e r s a lp r o g r a m m e r - a n s y sa n dv a l i d a t e st h ef a i l u r e f o r mo fj o i n t sa n dt h e i n f l u e n c ef a c t o r so f t h es t r e n g t h so fa n t i s h e a ro n c em o f e k e yw o r d s ：t h es p e c i a l s h a p e dc o l u m nj o i n t s c y c l i cl o a d s w i n g - - b o a r d a n t i - - s e i s m i cb e h a , r i o r a n s y sn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t 耐p eo ft h e s i s ：a p p l i e d b a s er e s e a r c h f u n di t e m s ：t h es h a h x ip r o v i n c en a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o n ( n o 2 0 0 1c 3 3 ) a n d t h es h a n x ie d u c a t i o no f f i c e s p e c i a lf o u n d a t i o n ( n o 0 2 j k l 2 2 ) 声明 本人郑重声明我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 或撰写的研究成果，也不包含本人或其他人在其他单位已申 请学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同事对 本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确地说明并表 示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名： 陈昌景 关于论文使用授权说明 日期：住。5 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、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、缩印或者其它复印手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：陈吕亥 导师签名：鬟知日期：刁 注：清将此页附在论文首页 两安建筑科技人学坝i 学位论立 1 绪论 1 1 异形柱框架节点的研究概况 1 1 。1 异形柱框架结构的特点 砖混结构和框架结构是我国民用建筑中最常用的两人结构体系。由于砖混结构抗震性 能差，施工劳动强度大，生产效率低，结构体积大，同时层数也受到限制等诸多缺点，使 用受到极大的限制，逐渐被框架结构体系所代替。目前框架结构中，柱截面通常是矩形， 矩形柱的截面尺寸往往比填充墙厚度大得多，室内空间出现柱的楞角，这不仅影响家具的 布置和室内的美观，给住户带来很多不便，而且还减少了建筑使用面积。 由t 形、i 形、z 字形以及十字形截面柱与梁组成的结构称为异形柱框架结构，如图1 1 所示。该类结构由于填充墙与柱腹板及翼缘的厚度相同，室内不出现楞角，有利于美观要 求；并为用户增加了使用面积，取得了明显的经济和社会效益。虽然该体系的柱断面比较 复杂，施工技术要求较高，但由于上述优越性，所以目前在民用住宅建设的范围内已经取 得了广泛使用。国家建设部1 9 9 6 年1 1 月发布的住宅产业现代化技术发展要点( 试行) 中，将其列为住宅技术发展要点之一。 t 形截面l 形截面 1 1 2 异形柱框架节点研究概况 十形截面z 形截面 图1 - 1 异形柱截面形状图 对以往的大量震后建筑物破坏的调查结果表明，框架结构节点的破坏是引起建筑物破坏 的主要原因之一。我国自六十年代起就进行了装配式框架节点的研究工作。1 9 7 4 年钢筋混凝 土规范修订后，在中圉建筑科学研究院组织下，由北京市建筑设计院，东南人学、西安冶金 建筑学院等2 3 个单位成立框架节点专题研究组，先后对十二种类型节点受力性能进行了系统 的研究。特别是在1 9 7 6 年唐山大地震之后，又加强了各种抗震性能的研究工作。其中不少成 果反映到混凝土设计规范( g b j l 0 8 9 ) 和建筑抗震没汁规范( g b j + 8 9 ) 中；1 9 8 l 午全 国钢筋混凝土标准委员会成立了”节点与连接”专题组，进一步推动了全国性的节点学术活动。 1 9 8 8 年，中国二l ：程建设标准化委员会又组织编制钢筋混凝土装配式框架节点设计标准将 我国的多年研究成果转化为生产力，以促进生产力水平的提高。 两安建筑科技大学坝。 ：学位论文 钢筋混凝土框架节点是结构抗震的重要环节，在强烈地震下，框架核心区受力复杂， 节点的破坏已成为导致整个框架结构破坏的主要原因。异形柱框架由于柱子截面高宽比大 且梁柱交接处钢筋密集，混凝土不容易振捣密实等，因此梁柱节点比矩形梁柱节点薄弱， 其震害可能更为严重；但由于异形柱结构是近十多年来发展起来的，迄今为止未见有实际 震害的报道。 目前，有关于异形柱框架节点理论与试验的研究较少。 1 9 8 4 年，国家建材局苏州混凝土水泥制品研究院和天津市轻工业研究进行了3 个t 形 柱边节点足尺试件抗震性能试验。1 9 8 8 年国家建材局苏州混凝土水泥制品研究院对无锡市 粱板柱框架轻型建筑体系节点抗震性能进行了试验，其中有两个“1 ，形边柱节点。试验结 果表明，按当时“t j l 0 7 4 ”、“t j l l 7 8 ”标准评定，t 形节点具备较好的抗震性能。 1 9 8 9 年，王军进行了两榀异形柱框架结构抗震性能试验研究。试验结果表明在整体框 架中的现浇异形柱节点受力性能和破坏特征与普通矩形柱框架节点相似，但承载能力略低， 提出异形柱节点核心的抗剪强度可以在普通矩形柱节点承载能力计算公式基础上乘以降低 系数0 8 5 。 从1 9 9 3 年至1 9 9 7 午，天津大学对t 形柱一梁( 板) 节点、l 形柱梁节点进行试验，这是目前为 止，国内对异形柱节点比较全面的、系统的试验研究。其主要试验结果如下【2 0 】【”】： 异形柱节点初始裂缝出现在柱腹板( 与剪力方向平行的一肢) ； 当轴压比在o 1 1 0 3 2 时，开裂荷载相差不多；而轴压比由0 3 2 增加到o 5 8 时，开裂 荷载提高近一倍； 所有试件翼缘裂缝一般要在腹部裂缝宽于0 2 m m 后才出现，对于l 形柱节点，在接近破 时翼缘裂缝宽度也仅0 15 m m 左右； 同时试验表明：随着荷载加大，腹板裂缝数量增多，到o 5 左右，异形柱腹板上的最 大裂缝宽度达0 2 m m ，在该荷载反复作用下，裂缝宽度发展到o 3 m m 左右可收敛； 破坏时，异形柱节点区腹板内布置的箍筋都屈服，而翼缘内布置的箍筋一般不屈服。 对于l 形和t 形截面柱节点，翼缘箍筋的最大应力仅达到屈服强度的7 0 左右； 从破坏时裂缝和箍筋受力情况看出，柱翼缘均未发生充分作用，且破坏时的承载能力 和同截面面积的矩形相差较小。 t 形和l 形截面柱的端节点试件在低轴压l l o 1 3 时发生斜压破坏。而十字形截面中柱节 点在低轴压比o 1 l 和0 3 2 时破坏特征呈剪压破坏，高轴压l l ：o 5 8 时呈斜压破坏； 异形柱和矩形柱节点相比，异形柱斜压破坏时的轴压比相对较低。分析原因是异形柱 节点的腹板部分偏薄，斜压杆机制所引起的节点核心区斜压力相对较大所致； t 形柱节点翼缘宽度从4 5 0 1 l l i 一7 5 0 m 时，节点承载力提高3 0 ； 根据试验结果建议了抗剪承截力计算公式( 如公式1 _ 3 所示) ； 硬安建筑科技人学硕i 。学位论文 1 9 9 4 年，华南理工大学进行了5 个t 形柱框架节点的试验研究，但其试验的主要目的 是研究此类节点的破坏机理以及当梁宽大于柱腹板宽度时的粱纵筋锚固性能：之后，义对 】0 个t 形柱框架顶层节点在单调加载下的受力性能和梁纵筋粘结锚固性能进行试验研究。 并根据试验结果建议了抗剪承截力计算公式( 如公式1 _ 2 所示) 1 2 2 1 【2 3 l 。 表1 - 1异形柱t 形截面节点试验统i - i 试 节点截面模型件节点肢高 轴压比破坏形态备注 类型比例个箍筋厚比 数 核心区剪梁宽大于 t1 ，23庐6 1 0 03o 2 o 2 5 垡 切破坏柱腹板宽 南 0 2 0 2 5梁端弯瞌梁宽大于 t l 22 庐8 1 0 0 3 理破坏柱腹板宽 工 梁端弯曲项层节点 t1 ，24 庐8 1 0 0 3 大破坏单调加载 学 核心区剪项层节点 t l 2 66 1 0 0 3 切破坏单调加载 核心区剪 tl14 由6 52 50 1 3 天切破坏 津核心区剪 tl1素混凝土2 5o 1 3 大切破坏 学核心区剪 t】1素混凝土4 2o 1 3 切破坏 华南理工大学和天津大学异形柱试验统计数据如表1 1 所示。与此同时，国内外进行了 大量不同类型的框架节点试验研究，对异形柱框架节点抗震性能研究有着一定的参考价值。 1 1 3 传统节点的受力机理 在外荷载作用下，在节点周围作用有梁端与柱端弯矩、剪力和轴力；如图1 2 所示： 一、钢筋的拉力和压力都是通过粘结应力传到核心区的混凝土上去；在水平力作用下 的节点核心区，二个对角受到垂直和水平方向的作用力，即核心区受到个斜向压力和正 交的斜向拉力。当斜向拉力超过混凝土的抗拉强度时，就产生了斜向裂缝；在荷载反向时， 就会在另一方向产生斜裂缝，从而形成交叉裂缝。 两安建筑科技夫学颤1 掣位论文 二、当弯矩增加，梁柱钢筋达到屈服时，核心区周围的混凝土发生严重的受弯裂缝乃 至破碎剥落，此时粘结力丧失，发生粘结滑移。柱子钢筋由于采取强柱弱梁原则和受到较 n t7 1 n 图1 _ 2 节点传力机构图 大的轴向力作用，滑移情况不像梁筋那么明显，但柱纵筋周围的混凝土会剥落；当钢筋发 生滑移后，梁纵筋上的力就传不到核心区混凝土上去，梁对柱子产生了很大的转动，节点 刚度急剧降低。 由于外节点( 指框架的边柱节点和角柱节点) 的梁筋通常是采用弯钩锚固在节点内， 弯钩处形成一个有效的压力。因此外节点的受力机理基本上符合斜压杆机理。 对钢筋混凝土框架节点，从国内外研究情况来看，约在6 0 年代后有了较为系统的试验 研究。而对节点的破坏机理，目前仍未取得统一认识，较流行的有以下三种受力机理，如 图1 3 所示： 一、斜压杆机理 当核心区没有箍筋或箍筋很少时，节点承载力主要由核心区混凝土所控制，这种模式 适用于梁、柱承载力较低而节点核心未受到严重损坏的情况。 按照斜压杆机理，节点核心区的抗剪强度可取混凝土斜压杆的极限抗压强度的水平分量为 v = 0 f 口b c c o s 0 式中：0 8 一混凝土强度降低系数( 考虑交叉裂缝的影响) 良一柱截面宽度 p 一斜压杆轴线和水平面之问的夹角 一斜压杆等效宽度；取口= o 3 ( 一贰) 2 + ( 绣。一d ：) 2 6 西安建筑科技人学硕l 学位论文 图卜3 节点受力机理图 二、剪摩擦机理 这种模式适用于混凝土受剪破坏，水平箍筋屈服而梁筋尚未屈服且未发生粘结破坏的 情况。核心区剪切破坏的临界裂缝常沿对角线发生，将核心区分成两大块，在两块之间产 生滑动摩擦；与裂缝相交的水平箍筋皆受拉屈服。节点的抗剪能力由两部分组成：一部分 是穿过裂缝的箍筋受拉屈服而承担的剪力，另+ 部分是核心区的对角处，在弯曲压力下所 产生的混凝土摩擦力，即： _ ：k + k ：o 7 ( + 毒三丝lc o s 2 0 + ) c o s 兀兰生( 魄。一反)_ = k + k = o 7 ( + 等兀- ! 生( 魄。一反) 式中：0 7 一摩擦系数 n 一柱轴压力 m 。一临近节点的梁端弯矩 一柱截面有效高度 一梁截面有效高度 三、桁架杆机理 当节点核心区既配有水平箍筋又有较密的垂直钢筋时，在反复荷载作用下，当节点承 受很大的剪力、核心区产生多条剪切裂缝时，混凝土斜压杆作用降低，大部分剪力可假定 由一个桁架机制来承担。如图1 3 ( c ) 所示节点核心区的水平箍筋承担水平拉力，垂直钢筋和 柱轴向力承担垂直拉力，斜裂缝之间的混凝十( 在箍筋约束下) 承担斜压力，所组成的平 衡体系称之桁架机构。按照桁架机理，节点核心区的抗剪强度将受混凝土、柱轴向力、水 平箍筋和垂直箍筋所控制。此时，可将柱轴向力的影响反映在混凝土抗剪能力中，然后分 别由节点水平剪力求出水平箍筋，由节点垂直剪力求出垂直剪力钢筋的需要量。 曲发建筑科技大学颁 学位论文 1 2 试验研究的目的与意义 1 2 1 不同节点抗剪强度公式的对比分析 各国普遍以为框架节点核心区的剪力由混凝土和抗剪钢筋二者束承担，框架节点后抗 剪强度可用公式表达为：k + k ，式中一为节点的计算剪力，为核心区混凝土的抗剪 能力；旷为节点内抗剪钢筋的抗剪能力； 我国混凝士结构没计规范( g b 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ) 中，对框架梁柱节点的受剪承载力 提出了以下公式： 巧井t 抛+ o 0 5 n b 玩j 忽h j + 华( k 刊 ( 1 - ，) 且节点核心区受剪及水平截面应符合下列条件： 巧( o 2 5 f ，b ? , ) ( 1 - l a ) 式中：为抗震承载力调整系数； ，：为混凝土抗拉强度设计值； ，= 为混凝土抗压强度设计值； 厶为钢筋抗拉强度设计值； 为梁截面有效计算高度； 硪为受力纵筋合力点到截面边缘 的距离； s 为箍筋的间距，单位r f l m ； 图1 - 4t 形柱节点截面 n 为节点上柱底部轴向力设计值； 6 ， ，为节点区截面有效验算宽度和截面高度，可取6 ，= 也，舟，= 吃；b c ，魄分别为核 心区验算方向的柱肢截面宽度和高度，如图1 4 所示： a 。核心区有效验算宽度范围内同一截面验算方向的箍筋各肢总截面积； 文献 2 3 1 针对t 形异形柱接点提出了如下公式： 当“。o 2 时：( o ，1 3 + 0 - 3 8 ) z q _ + 厶一。，垒。j ! i ( 1 2 a ) 当驴0 2 时：v = o 5 1 瓜磊他吩“以，孚 ( 1 - 2 b ) 式中：。为轴压比：其它符号同上。 文献 2 1 】提出了下述公式，且取下述两公式计算所得的较小值： 两安建筑科技大学碗 学位论文 _ = 孙+ o 。，竽卜白鳓 ，a ， 兰斗- 磊 t + 并卜“ 竽t n ) 。b ， 式中：厶为轴压比的修正系数； n 为节点区q _ 范围内的箍筋体积配箍率； 身为翼缘宽度的修正系数； 磊为核心区截面高度影响系数；其它符号同上。 混凝土异形柱结构技术规程( 征求意见稿) i t 3 中对梁、柱节点核心区受剪承载力的 计算按两种方案计算：第一种方案是按混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ) ，按矩 形柱梁柱节点计算；第二种方案是按天津市钢筋混凝土异形柱结构技术规程( d b 2 9 - - 1 6 2 0 0 3 ) 计算：计算公式如下： 一新靠( + 万0 5 n j ) 描竹竽( ”引 4 ， 且节点核心区受剪及水平截面应符合下列条件： v i 墨( i 。vi 一0 1 5 + 0 3 pf 3 ”c l l 4 f h 奢j h j ( 1 4 a ) 式中：符号均同上；其中磊、善r 和彘取值分别见表1 - 1 ，1 - 2 和1 - 3 所示。 表卜1 轴压比影响系数昴 l 轴压比。 0 30 _ 4o 50 6o 7o 8o 9 品 1 o oo 9 50 9 0o 8 50 7 5o 6 50 5 0 表1 - 2 榱心区截面翼缘影响系数点 6 r 一统( m m ) 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 身 11 2 51 3 01 3 51 4 01 4 0 表1 _ 3 核心区截面高度影响系数己 l ( m m ) 4 5 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 磊 1l0 9o 8 5o 8 0o 7 5 对本论文第二章的设计试件t 一1 卜6 ( 截面尺寸与配筋量见表21 ) ，分别应用上述公 式进行节点抗剪承载力计算，结果如表卜4 所示。 下面以试件t 一2 为例，计算过程如下：分析节点区内力和节点核心区剪力设计值r ： 塑圣彗丝些丝：叁兰竺! ；兰! ! ! ! 兰 辔 ( 1 - 篙 ( 不考虑核心区剪力放大系数叩。= 1 2 ) 式中：m ：和m ；为节点左、右梁端弯矩： 。一口：为梁上下纵筋合力点的距离； e 为节点上下柱反弯点之间的距离； 鬼为梁截面高度； 又因为肘；+ 叫2 4 ( k 一反) j 2 4 ( 1 一惫专) 所以一= 3 l o 6 2 8 ( 1 一面3 7 瓦5 - 1 耐5 = 1 4 6 o l 剧 按( 1 1 ) 和( 1 - l a ) 公式计算 _ 廿脱+ 0 0 5 n b 良j 绣h j + 华( ”q ) ：1 1 1 4 3 5 0 0 4 0 0 + 0 0 5 0 1 2 1 4 3 5 0 0 4 0 0 + 2 1 0 5 6 5 3 7 5 - 1 5 ：3 8 5 2 0 k n 且满足： 一( o 2 5 z b j h , ) = 0 2 5 1 4 3 5 0 0 4 0 0 = 7 1 5 k n 故节点承载力满足要求； 按( 1 - 2 a ) 和( 1 - 2 b ) 公式计算 由y - 轴压比肌= o 1 2 ，故采用1 - 2 a 公式计算； ( 0 1 3 + 0 3 8 ) f c b j h j + 厶4 ，孚 ：f o 1 3 + 0 3 8 0 1 2 ) 1 4 3 5 0 0 4 0 0 + 2 1 0 x 5 6 5 ! ! ! 二堕：5 5 5 6 5 故节点承载力满足要求； o 按( 1 - 3 a ) 和( 1 - 3 b ) 公式计算 由于公式( 1 3 ) 和( 1 4 ) 相似，计算过程略去，详见公式( 1 4 ) 计算过程，节点承 载力亦满足要求。 锄按( 1 - 4 a ) 和( 1 - 4 b ) 公式计算 扑点( + 万0 5 n 户) ”竽( t ) l 0 两安建筑科技人学坝1 学位论文 = 1 1 x 1 o ( 1 + 0 5 x 0 1 2 ) l - 2 5 1 o 1 4 3 5 0 0 x 4 0 0 + 2 1 0 5 6 5 x 等= 4 7 0 2 8 l ( n 且满足： v js 4 k “, i 一0 1 5 + 0 3 pf i - j , 4 h 舾j h j 1 0 ( 0 1 5 + o 3 。6 7 。两2 1 0 ) x 1 2 5 x 1 o 1 4 3 x 5 0 0 x 4 0 0 = 6 4 1 7 7 k n 故节点承载力满足要求； 表1 q 节点试件抗剪馨度的对比( 不考虑抗震承载力调整系数r ) 试件囊d n公式( 卜1 )公式( 卜2 )公式( 卜3 )公式( 1 - 4 ) t 一1 1 3 35 0 0o 1 23 1 9 9 84 6 1 8 83 8 9 1 53 9 0 8 1 t - 21 3 3 5 0 00 1 23 8 5 2 05 5 5 6 54 7 0 1 34 7 0 2 8 t 一31 3 35 0 00 124 8 2 9 86 9 6 0 5 5 8 1 5 75 8 9 3 4 t - 41 3 35 0 0o 2 23 9 9 5 03 0 3 7 34 8 8 2 9 4 8 9 9 5 t 一51 3 35 0 0o 1 23 3 1 7 65 0 2 2 24 1 5 3 4 4 1 6 8 5 t 一61 3 35 0 00 1 24 2 6 7 65 9 7 2 15 1 1 6 9 5 1 1 8 4 分析上表1 - 4 计算结果可知： ( 1 ) 节点承载能力满足要求。 ( 2 ) 不同计算公式的计算结果差异较大。以试件t 一2 为例，公式( 卜1 ) 的计算结果 较公式( 卜4 ) 小1 8 2 ；而公式( 卜4 ) 的计算结果又较公式( 卜2 ) 小1 5 4 。 ( 3 ) 上述四个计算公式均考虑了轴压比的影响。公式( 1 - 2 ) 给出了轴压比的临界值 , u n = 0 2 ( 即当轴压比肌 0 2 或脚 o - 3 时，节点抗剪强度f 降) ，和公式( 1 2 ) 的 轴压比界限值。，= 0 2 有出入，需要进一步的研究分析。 ( 6 ) 公式( 1 - 4 ) 认为节点核心区的范围取扛x 良( 符号同前意义) 范围混凝土的 体积；同时引入参数孝，和彘来加以修正，即核心区面积为矗，6 ，= 孝，彘吃吃。 但从前述试验过程及有限元分析中看出： 翼缘板中箍筋的应变均很小且裂缝分布在翼缘板处均没有形成( 公式1 4 所对应 的试验中翼缘板裂缝最大仅达0 o t 锄) ，因此节点核心区的范围的确定有待进一 步商榷。 上述试验中翼缘板箍筋上的应变片布置方向于翼缘板宽6 ，方向平行，即该应变 片数据只说明节点区翼缘板板宽方向的应力指标的变化，而不能反映于翼缘板 板宽方向相垂直方向的应力和应变指标变化。而且试验很难测出节点区内部的 应力指标，因此需借助于空间三维有限元进行分析。 1 2 2 试验研究的目的与意义 从上匠的研究发现仅有文献 1 3 】和【2 1 】中考虑了翼缘宽度的影响，即翼缘宽度b ，对节点 水平抗剪承载力的影响；如何正确反映异形柱节点抗剪强度，确定轴压比和翼缘宽度对节 点的影响，仍需要进一步研究。 综上所述，本课题将通过试验及非线性有限元分析对t 形载面柱节点做进一步的研究 与探讨。具体研究以下内容： 1 、观察节点核心区混凝土的裂缝分布及其丌展规律。 2 、研究翼缘宽度b ，对核心区裂缝开展与形成、节点抗裂及抗剪强度的影响，确定t 形柱节 点核心区范围和核心区的受力特征。 3 、研究轴压比对节点核心区裂缝开展与形成、抗裂及抗剪强度的影响。 4 、实测p 一，尸一巾等滞回曲线，研究异形柱节点的延性及耗能能力等抗震性能。 5 、研究t 形柱节点的受力机制、破坏机理、抗剪强度及其影响因素。 6 、在低周期反复荷载作用下，t 形柱节点的承载力和破坏特点。 7 、对节点进行有限元弹塑性数值分析，揭示节点区内力分布特点。 8 、通过与以前异形柱节点研究资料的对比综合分析，对t 形柱框架节点的抗震设计提出计 算公式及相应的设计建议。 两曩建筑科技人学坝f 学位论文 2 试件设计和试验方法 2 1 试件设计 表2 - 1试件尺寸及节点配筋表 试第一组( a ：第二组( b )第三组( c ) 件t _ 1t _ 2t _ 3t - 4t 2t - 5t _ 2t _ 6 b = 1 3 3b = 1 3 3b = 1 3 3b = 1 3 3b = 1 3 3b = 1 3 3b = 1 3 3b = 1 3 3 梁截面 h = 3 3 3h = 4 0 0h = 5 0 0h = 4 0 0h = 4 0 0h = 4 0 0h = 4 0 0h = 4 0 0 柱截面 吃= 6 ，= 5 0 0 ，h r = 6 c = 1 3 3 红 0 ，6 6 7o 81 0o 8 4 由2 04 巾2 04 中2 04 巾2 04 巾2 04 巾2 04 中2 04 巾2 0 梁配筋 庐6 5 8 0妒6 5 8 06 5 8 0庐6 5 8 0庐6 5 8 0 庐6 5 8 0 矽6 5 8 06 5 8 0 p1 2 6 1 2 q b l 41 2 d ? 1 41 2 d p l 41 2 巾1 41 2 0j 41 2 d p l 41 2 q b l 41 2 q b l 4 柱配筋 矽8 8 0妒8 8 0妒8 8 0庐8 8 0庐8 8 0矿8 8 0郝 8 0矿8 8 0 核心区 6 ，5 8 06 5 8 0妒6 5 8 0妒6 5 8 0 庐6 5 8 0素混凝土 6 5 8 08 8 0 n 。 0 6 7 0 6 7 00 6 7 1 5 3 轴压比“0 1 2o 2 20 1 2o 1 2 反映柱翼缘对节点轴压比对抗剪水平箍筋对节点区 试验目的 抗剪性能的影响性能的影响抗剪性能的影响 根据试验要求，按实际框架结构承受水平荷载时产生弯矩的反弯点( 即柱和梁上 弯矩m = 0 的位置) 来确定，取l 2 梁跨l 和框架柱的层高只。如图2 - 1 所示。 考虑到试验条件的限制，本次试验未能采用足尺原型试验，试件的尺寸大小按几何相 妣倍缩尺，即告专= = ；a 本试验共6 个试件，均为钢筋混凝土t 形截面柱框架节点。编号分别为t - 1 ，t - 2 ，t - 3 ， t - 4 ，t - 5 ，t - 6 。本试验巾异形柱截面的高厚比扛 取3 7 5 。考虑到试验目的的不同，将6 个试件共分为三组。 两曩建筑科技人学颂i 学化论文 二步 少 驴 易 e 缁彳 参 彳 参 二 么_ j ! 一 图2 - 1 水平荷载作用下弯矩框架图 ( 1 ) 第一组试件( t - i ，t - 2 ，t - 3 ) 在第一组试件中，柱截面尺寸保持不变( 绣= b ，= 5 0 0 m m ，h ，= b c = 1 3 3 r a m ) ，梁高度h 变化( 原型中h 取5 0 0 咖，6 0 0 栅和7 5 0i l l i l l ；缩尺后为3 3 3 唧，4 0 0i k i l l 和5 0 0m ) 。取矗缸为 变化参数( 即分别取0 6 6 7 ，0 8 和1 0 ) ，以观察： 节点区截面高度h 对节点抗剪强度的影响： 当向n 变化( 即梁柱刚度比变化) 时，梁端塑性铰位置的分布特点； 当 h e 变化时，柱翼缘宽度b ，对节点抗剪强度的影响规律； 节点的延性和耗能能力； ( 2 ) 第二组试件( t - 2 ，t - 4 ) 在第二组试件中，梁和柱截面尺寸保持不变( 同t - 2 梁柱尺寸) 。取轴压比。为变化参 数( 分别取0 1 2 和0 2 2 ) ，以观察： 节点在不同轴压比作用裂缝的开展、形成和发展的规律； 节点在不同轴压比作用下抗剪强度的变化规律； 验证第一章公式( 1 2 ) 的界限轴压比= 0 2 的正确性； 轴压比对节点的延性和耗能能力的影响； ( 3 ) 第三组试件( t - 2 ，t - 5 ，t - 6 ) 在第三组试件中，梁和柱截而尺寸保持不变( 同t - 2 梁柱尺寸) ，节点区内水平箍筋变 化。取水平箍筋体积配箍率成。为变化参数( 分别取0 6 7 ，0 和1 5 3 ) ，以观察： 节点在不同水平箍筋配量下裂缝的丌展、形成和发展的规律； t 形节点的的受力机理： 节点在不同水平箍筋配量下抗剪强度的变化规律： 水平箍筋对节点的延性和耗能能力的影响： 两安蛙筑科技犬学硕 一学位论文 本试验梁柱截面尺寸及配筋参数如表2 1 所示：节点试件模板图如2 2 所示；试件尺寸 和配筋以及节点构造如图2 - 3 所示。 柱头垫板 ? i 2 ：一 + 嗍一i 士t 形柱腹板橐一i _ 山士兰叫 r 1o - l _ - j ，- 山 生 j ( a ) 试件侧平面图( b ) 试件荆面图 ( c ) 试件俯视图 图2 - 2 试件模板图 丁斗 i l刮l 两安建筑科技大学碳1 学位论文 1 1 莒 丁 了 b ji疳 卅一1 一啪i t - 1 莩 65 卜 【，0 0 了-了 哺5 i 蚴i 量 - t 一 3 1 - i 5 0 0 l 1 8 0 0 2 0 0 1 2 5 0 0 1 i 一 ( a ) 试件配筋侧面图 ( b ) 柱头垫板配筋图 采1 t x 开岬羽期弓钠晶 _ 一 1 r 一 一j 冒 二 。 舌 iq = j j l i墨r l 粱 拉 1 ( c ) 梁纵筋仲入节点构造图 1 1 、 h7 川 2 2 0 p i 中65 8 0 2 m 2 c ；n n1 - 1 扛坐旦一十_ _ j3 ( t 目十括 教新。“j 目i 6 2 2 型霉岁留 寸1 些兰些丝丝堡垒兰竺：三耋竺丝：兰 2 0o 一 芦圳。 一 r n n 上一! ! ! j 图中括号数据为f 11 1 翻面 1 , 1 5 3 2 州 ( d 8 8 0 -。 1 4 9 14 ( 0 65 8 0 ) 4 $ 1 4 ， ：翊 2 虫14 二n n 卜“兰o 11j3 ( t4 ) 秆歪酉颐一寸砺 7 2 9 2 0 油 墨口 垭u 2 2 ( t3 2 9 2 0 r _ 曩i m 65 8 0 _ 2 9 2 e 3 斗 27 ( t4 了丑寸引1丁丑 婀安建筑科技人学颂l 学位论史 卜。一2 m 1 2 2 试件制作 j i ! ! ! j j133 ( t 一5 ) 丽鬲丽而 气n n 上二竺兰 1 1j j ( 1 - 6j 2 9 2 0 ( d ) 配筋剖面图 图2 - 3 试件配筋图 卜堕斗 22 ( t5 ) 心 ?2 ( 16 ) 本试验的试件于2 0 0 4 年4 月在西安建筑科技大学结构实验室制作。混凝土浇注后用小 型插入式振捣器振捣，确保混凝土各部分振捣密实，然后每天定期浇水养护。每个试件浇 注时均留有三个立方体标准试块( 1 5 0 1 5 0 1 5 0 m m ) 以测定混凝土的立方体抗压强度厶。 为保证试件混凝土实际强度与所留试块相同，立方体试块和试件在相同的条件下养护，并 且测定试块的立方体抗压强度时，对应试件在当天进行实验； 本实验钢筋应变片的粘贴是在结构实验室内完成的。钢筋打磨清理后涂抹5 0 2 胶水， 叶矧1 婴 幽耳 压l 睁 两安建筑科技大学坝 学位论文 贴上2 3 胶基电阻片，滴腊防水，然后用砂布缠绕，再用环氧树脂绝缘封闭处理，而后弓 出导线并绑扎。 试件材料： ( 1 ) 混凝土所用材料 a 粗骨料5 1 0 m m 河卵石 b 细骨料：普通中粗河沙 c 水泥：普通硅酸盐水泥，标号5 2 5 混凝土的参考配合比及强度等级如表2 2 所示； 表2 - 2 混凝土配台比 l 水泥堙m 3水堙m 3沙堙m 3石子k g m 3强度等级 5 0 02 1 08 4 09 0 0c 3 0 表2 _ 3 混凝土实涓力学指标 立方体抗压强棱柱体抗压强轴心抗拉强度弹性模巨 试件编号 度厶( m p a )度f ，( m p a )f ( m p a )( 1 04 m p a ) 1 二13 6 42 9