（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）考虑节点变形的钢筋混凝土平面框架弹塑性抗震分析.pdf

摘要 框架节点是指框架梁及框架柱相交的节点核心区与邻近核心区的梁端及柱 端。它是结构传力的枢纽，主要是通过斜压柱机构和桁架机构以及箍筋的“约束 机制作用来承受梁柱端传来的剪力作用。 节点的变形主要由节点的剪切变形和粱纵筋滑移所产生的转角组成。而本文 主要考虑节点剪切变形影响，对于节点滑移影响可通过对本节点模型的剪切刚度 修正来加以考虑。 当结构处于弹性受力状态时，节点剪切变形所引起的变形在框架结构整体变 形中所占比例较小，但是当框架结构在地震作用下进入弹塑性状态时，由节点变 形所引起的变形在结构整体变形中比重不容忽视，尤其是未经过抗剪强度验算的 或承受较大剪压比的节点。 目前大多数在进行结构抗震分析和计算时，都假定节点是刚性节点，实际上 完全刚性的节点是不存在的，尤其对地震作用下的复杂受力情况。因此，考虑节 点剪切变形的影响显得很重要。 对此，本文基于t a k e d a 刚度退化三线性模型基础理论，并根据大量参考文 献资料，建立了符合节点受力过程的剪力与剪切变形的三线段滞回曲线模型。节 点剪切变形模型考虑了混凝土强度、轴压比、剪压比、配箍率四个因素。 根据以上节点单元模型分析，本人应用f o r t r a n 语言编制了相应的节点单元 模块程序，并与本人导师王依群所编制的n d a s 2 d 软件相接，对一些低周反复加 载试验的框架结构试验模型进行验算。通过对比分析表明，该程序模块试验现象 和过程基本符合。 关键词：地震作用，框架节点，抗剪，剪切变形，滞回曲线 a bs t r a c t b e a m - c o l u m nj o i n ti sc o m p o s e do fc o r eo fj o i n ta n db e a m - c o l u m na d j a c e n t j o i n ti st h eh i n g ef o rs 仇l c t u r eo fr c 缸f f n et ot r a n s f e rf o r c e s ，a n di td e p e n d so nt h e t r u s s ，t h ed i a g o n a ls t r u tm e c h a n i s m sa n dt h ec o n f i n e m e n tm e c h a n i s mt or e s i s ts h e a r f o r c et r a n s f e r r e df r o mb e a ma n dc o l u m n j o 缸d e f o r m a t i o nc o n t a i n ss h e a rd e f o r m a t i o na n ds n po fl o n g i t u d i n a l r e i n f o r c e m e n tp a s s i n gt h r o u g hj o i n t b u ti n t h i sp a p e rs h e a rd e f o r m a t i o ni sm a i n l y t a k e ni n t oa c c o u n t , a n ds l i po fl o n g i t u d i n a lr e i n f o r c e m e n tp a s s i n gt h r o u g hj o i n ti s c o n s i d e r e dj u s tb ym o d i f y i n gi t sr i g i dm a t r i xo ft h ej o i n ts h e a re l e m e n tw h e ni t se f f c t i si m p o r t a n t 1 1 1 ed e f o r m a t i o nc a u s e db ys h e a rd e f o r m a t i o nh a v eas m a l lp r o p o r t i o no ft h e t o t a ld e f o r m a t i o no fs l a u c t u r ew h e ni ti so ne l a s t i cs t a t e ，b u th a v eal a r g ep r o p o r t i o n w h e ni ti so ne l a s t i c - p l a s t i cs t a t ee s p e c i a l l yf o rt h ej o i n t sw h i c hd o n tb ec h e c k e df o r t h e i rs e i s m i cs h e a ro re n d u r eh i g hr a t i oo fs h e a rf o r c et oc o n c r e t ec o m p r e s s i v ef o r c e a tp r e s e n t ，j o i n ti sg e n e r a l l yc o n s i d e r e dr i g i dw h e nw eh a v eaa n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o no ns e i s m i cs h e a ro fj o i n t i nf a c t , t h ea b s o l u t er i g i dj o i n ti si m p o s s i b l e ； e s p e c i a l l yw h e nj o i n ti se n d u r et h ee f f c to fs e i s m i cf o r c e s s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt o c o n s i d e rt h ee f f e c to f j o i n ts h e a rd e f o r m a t i o no ns t r u c t u r e i nt h i sp a p e r , t h er e s i l i e n c em o d e lb e t w e e nj o i n ts h e a rf o r c ea n dj o i n ts h e a r d e f o r m a t i o ni se s t a b l i s h e do n 也eb a s eo f 也em o d e lo ft e k e d aa n dal o to fr e f e r e n c e a n dd a t a f o u rf a c t o r st h a tc o n c r e t ei n t e n s i t y , a x i a lc o m p r e s s i o nr a t i o ，s h e a r c o m p r e s s i o nr a t i o ，h o o pr e i n f o r c e m e n tr a t i oa r ec o n s i d e r e di nt h em o d e lo f j o i n ts h e a r d e f o r m a t i o n f o rt h ea b o v er e s i l i e n c em o d e lo f j o i n te l e m e n t , i t sp r o g r a mi sa l s ow o r k e do u t w i t hv i s u a lf o r t r a n t h e n ，t h ej o i n te l e m e n tp r o g r a mi sl i n k e d 谢也t h em a i np r o g r a m n d a s 2 dw h i c hi sd e v e l o p e db ym yt u t o r , w a n gy i - q u n s u b s e q u e n t l y , s o m e e x p e r i m e n t a l 咖c t i l r em o d e li sc o m p u t e db yt h i sp r o g r a m b yc o m p a r i n gw i t ht h e t e s tr e s u l t s ，t h ep r o g r a mo fj o i n te l e m e n ti sp r o v e dt oa c c o r dw i t ht h er e s u l t so nt h e w h o l e k e yw o r d s ：e a r t h q u a k ee f f e c t ，f l a m ej o i n t , s e i s m i cs h e a r , j o i n ts h e a r d e f o r m a t i o n , r e s i l i e n c ec l l l v e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王哗明签字日期：2 7 年月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 主年 签字日期：2 c 。芦，月哆只 导师躲彳e 袤爵 签字同期：彦哆年 ，月2 7r 第一章绪论 1 1 节点震害概述 第一章绪论 在框架中，所谓的框架节点是指：框架梁及框架柱相交的节点核心区与邻近 核心区的梁端及柱端。框架节点是结构传力的枢纽，起着传递和分配内力、保证 整体性的作用。国内外历次大地震灾害表明【l 】：虽然钢筋混凝土框架结构具有较 好的抗震性能，但是未经抗震设防的钢筋混凝土框架结构存在不少薄弱环节，在 八度和八度以上的地震作用下有一定数量的此类结构产生不同程度的破坏，有些 甚至发生倒塌。通过对钢筋混凝土框架的震害分析发现：柱端和梁柱节点区的破 坏较为突出，而节点破坏往往是导致整个结构倒塌的主要原因之一，且破坏后修 复困难。因此，梁柱节点是该结构体系抗震的一个薄弱环节，应具有足够的强度、 刚度和必要的延性。即使在强烈地震下，节点也不应发生剪切破坏和锚固破坏。 由于钢筋混凝土框架的梁柱节点在反复荷载作用下处于复杂的受力环境中， 因此要提高钢筋混凝土框架结构的抗震性能，保证各个构件在抗震中的强度和延 性得到充分发挥，首要的就是加强构件之间的连接，使之能满足强度要求，从而 保证整个结构在地震作用时的整体性。 1 2 节点核心区的受力性能与破坏过程【1 1 1 2 1 3 】【1 0 1 节点作为梁、柱接头区的主要组成部分，在平面框架中承受由左、右梁端和 上、下柱端传来的弯矩、剪力和轴力。当竖向荷载较大而地震水平作用较小时， 左、右梁端截面中的内力所引起的节点剪力较小，节点的受力较为有利。而当水 平地震作用较大，使左、右梁端分别受正、负弯矩作用时，节点剪力就比较大， 对节点受力不利。因此节点抗震性能研究多以后一种不利状况为对象。 在反复荷载的作用下，梁柱节点核心区的受力情况较为复杂，但主要是受柱 子传来的轴向力、弯矩、剪力和粱传来的弯矩、剪力作用( 如图1 - 1 所示) 。在轴 压力和剪力的共同作用下，节点核心区产生斜向拉力和斜向压力。随着荷载的不 断增大，其受力和破坏过程可分为：弹性阶段( 开裂前阶段) ，通裂阶段，破坏阶 段三个阶段。 第一章绪论 轴z 上皇z 广_ l 下 l t打霸佴一一 l = ： ， 一l i一一 ( j 一_ f i 目一一i i o 。一 - - - 一司山 主毒 l l l - _ i - _ _ 图1 1 节点核心区受力图 斗 ( 1 ) 节点核心区在混凝土开裂前，称为弹性阶段。此时剪力基本上都由混凝 土承担，箍筋应力很小，即作用于核心区混凝土的斜压力，由跨越核心区对角的 混凝土来承担。由于混凝土的抗压强度较高，其压缩变形较小，因此，节点的变 形较小，可以忽略。 ( 2 ) 当作用在节点核心区的剪力增大达到破坏强度的约6 0 - 7 0 时，在核 心区产生很大的斜拉力和斜压力，核心区混凝土出现对角贯通裂缝，宽度一般为 0 1 - - - ，0 3 毫米，箍筋应力突然增大，个别达到屈服强度，节点刚度明显降低。此 阶段末，节点核心区进入通裂阶段。节点内的混凝土出现裂缝使得混凝土刚度下 降，从而使得节点剪切变形明显增大。 ( 3 ) 随着荷载继续反复，核心区混凝土对角贯通裂缝加宽，并出现多条斜裂 缝，箍筋应力迅速增长，陆续达到屈服。在合理配箍情况下，即使箍筋全部屈服， 节点仍能保持最高承载能力，但节点刚度下降更快，此时称为破坏阶段。此阶段 节点的混凝土被节点斜向交叉裂缝分割成块状，可以认为混凝土刚度基本上完全 退化，此阶段节点的剪切变形将迅速增加。 1 3 国内外节点研究概述【1 】【3 】【9 】 钢筋混凝土抗震框架梁柱节点是公认的受力较为复杂的结构部位。第一批比 较系统的钢筋混凝土平面框架节点的试验研究工作是在二十世纪七十年代到八 十年代初完成的。其中有代表性的有新西兰r p a r k ，t p a u l a y 和m j n p r i e s t l e y 2 第一章绪论 完成的试验研究，美国n w h a n s o n 和s f u j i 等完成的试验研究、美国j o j i r s a 与中国访问学者张连德完成的试验研究、日本青山博之等完成的试验研究以及中 国胡庆昌等完成的试验研究。虽然各国研究者的指导思想和着眼点不完全相同， 试验中选择的变化参数也有不少差别，但至少提供了有关节点抗震性能的试验结 果，获得了最早一批有关钢筋混凝土梁柱节点在组合体变形逐步增大过程中损伤 发育和失效方式的感性认识。由于当时负责各国设计规范节点设计条文制订工作 的学者对节点区传力机理和计算模型的看法有较大差异，使各国设计规范或设计 建议采用的抗震框架梁柱节点设计方法差异较大，按相应规范计算出的节点配箍 量也相差很多。 一类是新西兰的“桁架机构”加“斜压杆机构模型( 图1 - 2 ( a ) 和( b ) ) 。它 认为一方面贯穿节点的梁筋和柱筋在梁端或柱端所受的拉力和压力联合作用下， 将把相当一部分力经由粘结效应以周边“剪力流的形式传入节点，使节点核心 区处在典型的“纯剪状态，并承受相应主拉应力和主压应力的作用；剪力场所 产生的斜向主压应力自始至终由节点区混凝土承担；当核心区混凝土在斜向主拉 应力作用下沿斜向开裂后，主拉应力将由节点水平箍筋和节点正面柱筋分担，从 而形成了“桁架机构 ( 如图1 2 ( b ) 所示) 。另一方面，由梁、柱端受压区混 凝土传给节点边缘的压力也有相当一部分在节点中合成为斜向压力，由斜向一定 宽度内的核心区混凝土承担，称为“斜压柱机构”( 图1 - 2 ( a ) ) 。 ( a ) 斜压柱机制 图1 - 2 斜压柱一桁架机制 ( b ) 桁架机制 另一类是在j k w i g h t 教授主持下美i 垂i a c i3 5 2 委员会主张的“柱模型 。即 认为可以把节点区看成是一段作用剪力较大的特殊的柱段，并建立了斜压杆一拉 杆模型( 如图1 3 所示) 。因此，可以参照柱端的做法，只要使节点中的箍筋达 到一定的用量，即“约束作用”达到一定的水准，就可以保证节点区的抗震性能。 第一章绪论 根据这种观点，美国a c i3 1 8 规范和a c i3 5 2 委员会建议的设计方法只从构造角度 确定箍筋用量，而不进行节点抗剪计算。 c i r i 图1 - 3 斜压杆一拉杆模型 另外，我国框架节点专题研究组在2 0 世幺己7 0 年代通过大批量的节点试验【l 】【l0 1 ， 对节点的受力性能和破坏过程进行了深入地分析和试验观察，将相应的剪力传递 机制假定为：混凝土斜压柱( 杆) 机制、桁架机制和组合块体机制( 见图1 4 ) 。试 验结果表明：核心区在混凝土未开裂以前，处于弹性阶段。试验测得在弹性阶段 核心区箍筋应力很小，基本上由混凝土抗剪。由光弹性试验测得，核心区在此阶段， 沿对角线方向有近似的主压应力等值线构成对角压力区( 见图l - - 5 ) ，证明了斜压 柱的存在。 图1 - 4 组合块体机制 4 第一章绪论 2 主应力 。 图1 5 斜压杆机构及由光弹试验实际测的节点核心区对角斜压柱 正是由于新西兰八十年代用“桁架机构”加“斜压杆机构”的传力模型在未 考虑贯穿节点梁、柱筋粘结退化的情况下所算得的节点箍筋用量过大，而美国 a c i3 1 8 规范用“约束模型 按构造给出的节点箍筋明显偏少。为了协调这些认 识上和设计方法上的差异，由日本的青山博之教授、美国的j o j i r s a 教授和新西 兰的t p a u l a y 、r p a r k 教授共同发起进行钢筋混凝土梁柱节点抗震性能的国际对 比试验。随后，中国同济大学的朱伯龙教授和中国建筑科学研究院的陈永春研究 员也申请参加了这一联合试验，并共同制定了新、美、日、中四国对比试验计划。 试验研究工作结束后，在1 9 9 0 年的檀香山总结会上对各国试验结果进行了综合评 价，对比结果表明，在试验的节点剪压比相同的条件下，新西兰规范的配箍要求 过严，节点抗震性能虽然比其它三国更好，但明显过于保守。美国和日本配箍最 少，但节点仍具有所需的抗震能力：中国配箍量比新西兰明显偏小，但比美、日 略偏高，节点抗震性能同样较为满意。虽然这次对比试验的最大收获是对抗震节 点在所给定的条件下的合理配箍水准得出了共同认识，但并没有专门提出对核心 区受力机理的研究要求，对提高和改进人们对核心区受力机理的认识帮助不大，各 国规范对自己主张的传力模型坚持如故。 在这次联合试验的带动下，形成了第二次节点抗震性能及设计方法研究的高 潮。这次研究虽然仍以中间层中节点和中间层端节点为研究对象，但试验研究范 围扩大到带现浇板的双向受力节点、偏置节点以及轴压力对中间层端节点抗震性 能的影响等方面，与此同时还开始了对梁筋贯穿节点段粘结性能的试验研究。这 些研究揭示了抗震框架节点的大量受力现象，大大丰富人们对节点受力过程中的 感性认识。 二十世纪九十年代初，国际知名学者、日本东京大学青山博之教授在其对四 国联合对比试验及当时各国节点性能最新一轮研究成果进行总结的学术论文中 曾经指出，这次没有先例的由各国国家基金支持的大规模联合对比试验以及由此 5 第一章绪论 带动的各国学者所完成的在联合对比试验计划之外的出色研究工作，虽然使我们 对抗震框架梁柱节点的受力性能和各因素的影响规律有了更加深入广泛的认识， 使各国通过对比肯定了各自设计方法的有效部分，明确了可能需要进一步作出改 进的内容和方向，但遗憾的是，至今仍未能就节点核心区的传力机理形成有说服 力的、公认的模型，也未能在一个合理模型的基础上形成一种能更准确反映梁柱 节点在不同受力状态下受力特征的设计方法。 这表明，当时一些有见地的研究者已经意识到，上述新西兰规范和美国a c i 3 5 2 委员会设计建议所提出的两种节点受力模型只能从某些局部角度反映节点的 受力特征，远未能达到全面说明节点在各种条件下复杂受力表现的地步。 此外，从二十世纪八十年代中期到九十年代中期，重庆建筑大学的傅剑平和 白绍良教授在总结国内外近年来大量研究成果的基础上，并结合他们在节点试验 研究中的体会，全面分析了框架节点中的传力特征，明确指出除斜压杆机制和桁 架机制外还存在“约束机制”【3 】【4 】【5 】的这一事实。约束机制由约束核心区混凝土 的节点箍筋和被箍筋约束的核心区混凝土的相互作用所形成。约束机制虽然不直 接参与传递节点剪力，但它却是使节点的抗剪能力维持到组合体达到更大变形时 所不可缺少的一个重要前提，因此在保证接头区抗震性能方面显得很为关键。 近五年来，新西兰和加拿大学者也陆续对配筋构造方式不同的顶层端节点的 抗震性能进行了试验研究，丰富了对这类节点受力性能的认识。 1 4 节点研究的重要意义 在较早时，框架节点震害的例子比较少，在设计中也没有专门对节点做出设 计规定，因此，过去对节点的设计和构造很少注意。现在，情况发生了很大的变 化，钢筋混凝土高层建筑发展很快，陆续出现了高层钢筋混凝土框架结构( 或框 一剪结构) ，广泛使用高强混凝土和大直径的高强度变形钢筋，材料强度提高了， 构件的截面尺寸减小了，因而节点的截面尺寸也就减小了。另外，通过对梁、柱 构件性能的大量研究，改善了构件的强度和延性。这样，框架结构的薄弱环节就 转移到节点区域了。 根据文献 6 7 8 】【9 】粱柱组合体试验中组合体中梁、柱、节点区各自的变形 曲线图，计算出各部分变形所引起的组合体梁外端挠度占梁外端总挠度的情况 ( 见表1 1 所示) 。从表中可以发现：当剪压比偏大时，节点核心区剪切变形对梁外 端位移的贡献能达至u 3 0 左右，最大的可以达到5 0 以上。 由于框架节点是结构传力的枢纽，同时也是结构抗震的薄弱环节，因此，节 点应具有足够的强度和必要的延性。近年来，国内外已经进行了一系列抗震框架 6 第一章绪论 节点的试验研究。在地震作用下，框架节点经受着很大的水平剪力( 比柱子剪力 要大4 6 倍) ，因而往往产生脆性剪切破坏。另外，由于地震反复荷载的作用下节 点的强度、刚度和耗能能力也都会下降。 近二十多年来，人们普遍采用计算机软件进行结构计算，相对于梁柱等构件 而言，具有节点核心区的强度计算的软件则滞后的多，即多年来计算机软件不能 进行节点强度计算或算出的节点剪力偏小，直蛩j 2 0 0 6 年3 月，国内用户最多的 p k p m 软件才能给出梁柱节点核心区剪力值。而在以前的设计中，没进行节点强 度计算的结构存在着应当考虑节点核心区强度和变形的结构安全评估问题和鉴 定问题。 试件轴压比剪压比配箍特征值 延性系数玩 名称 n 正b c h cv l 甄cp 。 。| !i t a 2 1纵2 2玩5 3 玩= 4以2 5 j 一1o 0 50 1 2 50 0 5 61 0 1 6 4 1 4 2 j 一2o 3 6o 1 6 l0 0 7 21 2 7 5 3 j 一3o 0 50 1 3 00 0 4 7 1 6 1 2 8 2 j 一5o 0 5o 1 6 50 0 8 81 6 2 6 6 2 2 j 一60 3 60 2 3 80 1 2 71 2 2 8 5 2 6 0 7 0 j 一7o 0 5o 1 9 7o 1 3 03 2 4 0 4 4 4 5 4 8 j 一80 2 50 2 1 70 1 1 92 8 3 8 4 0 4 5 j 一9o 0 50 1 5 60 0 7 41 8 3 0 4 0 3 6 j l o0 2 5o 1 8 80 0 8 82 2 4 0 4 4 4 6 j 一1 2o 2 50 2 3 80 1 2 31 9 1 8 2 0 3 2 4 8 j 1 3o 1 50 2 6 70 1 4 31 5 2 0 2 5 3 2 3 8 j 一1 5o 1 50 3 1 00 2 1 31 2 2 4 3 6 3 2 4 4 j 一1 60 4 5o 3 1 0o 1 8 02 1 2 0 2 4 3 6 3 2 目前，大量兴建的钢一钢筋混凝土组合体结构，如钢筋混凝土骨架结构也存 在着节点变形和强度的问题( 参见文献 3 4 1 ) 。同样的问题也存在于节点区相对 薄弱的钢筋混凝土异形柱结构中。保证“大震不倒”的重要手段之一是进行大震 下弹塑性时程响应计算或静力弹塑性推覆( p u s h o v e r ) 计算，但目前还几乎没有 哪个计算机软件考虑了钢筋混凝土框架梁柱节点大震下刚度、强度退化甚至破坏 的因素。 综上所述，钢筋混凝土框架、钢一钢筋混凝土组合结构和梁柱节点核心区存 7 第一章绪论 在着节点强度、变形问题，需要一种考虑结构剪切变形的节点单元，为进行整个 结构性能的研究奠定基础。 1 5 目前节点研究存在的问题【1 】【9 】 虽然从二十世纪七十年代到目前为止，不少国内外专家学者对节点进行多次 试验研究，取得了不少研究成果，但是依然面临如下的一些需要研究和解决的问 题： 1 钢筋混凝土抗震框架节点在地震引起的反复受力过程中的受力性能复杂， 影响因素众多，至今世界各国有学术影响的研究者对节点核心区受力机理的理解 仍有不小差异。 2 由于在目前的研究中节点的受力机构和破坏形式之间尚没有建立明确的 对应关系，因此还很难区分出不同的受力机构对节点破坏所起的作用。 3 节点在受力过程中的性能受到多种因素的影响，在各种分析模型中有选 择、有侧重地考虑了其中的一部分因素，而忽略了另一部分因素。例如假设节点 满足抗剪的要求忽略节点剪切变形的影响但实际上节点内部由于剪力的作用 产生的剪切裂缝会直接导致节点强度和刚度的迅速下降，如不加考虑则可能会 高估节点的强度和刚度使原本可能发生剪切破坏的节点被当作其它破坏形式来 处理。因此需要我们详细地将节点的破坏形式与破坏特征进行分类，找出能综合 考虑各种影响因素、反映节点不同破坏形式的统一的分析模型，这样才能得到比 较准确的节点受力变形关系。 4 在目前钢筋混凝土框架结构设计分析中，一般认为节点是刚性的而不考 虑节点变形对结构所产生的影响。事实上，在地震作用下，当结构进入非线性变 形阶段时，节点的变形对框架结构的影响不可忽略。目前，考虑节点变形影响的 主要方法是梁端塑性铰法，它主要是通过对连接梁单元进行刚度修正。但是由于 节点受力的复杂性，此方法存在很大局限性和较大误差。 1 6 本文研究的主要问题和所采用的方法 由于节点本身受力情况比较复杂，目前框架结构进行地震反应分析时，一般 认为节点区域在整个结构受力过程中不发生破坏，且梁柱节点是刚性节点，从而 忽略节点变形的影响。实际上绝对刚性节点没有的，特别是在设计中未对节点强 度和承载力进行计算的情况，节点的剪切变形对结构的整体变形和抗震性能产生 不可忽视的重要影响。 第一章绪论 在各种地震灾害调查和试验分析中发现【2 】【9 】【1 0 1 ，节点变形所引起的结构变形 在框架结构整体变形中所占的比例不容忽视。因此，节点的变形所产生的影响必 须引起我们的重视，而节点的变形主要由节点的剪切变形和粘结滑移变形所组 成。 由于节点受力的复杂性，影响节点变形的因素众多，如轴压比，剪压比和配 箍特征值等。对此，本文在进行节点抗剪机理分析时，采用目前工程界认识比较 一直的斜压柱机制和桁架机制，并考虑约束机制作用。然后在此分析的基础上， 本文采用有限单元法思想，将节点作为节点单元来加以分析。采用节点单元法不 需要修正连接梁单元刚度而单独对节点进行模拟分析，并可以在现有的刚性连接 框架分析程序中引入节点单元来考虑节点变形因素。 同时本文所考虑的节点变形主要是指节点的剪切变形，而对节点钢筋粘结滑 移变形所产生的影响，因为时间关系，本文未进行研究。当贯穿节点核心区的梁、 柱纵筋直径超过贯穿长度的适当比值( 例如：1 2 0 ) 时，可以通过增大节点核心 区剪切变形( 降低节点单元剪切刚度) 的方法来近似考虑。 在参考大量国内外节点研究文献基础上，本文建立了相应的节点剪力( ) 一剪切角( y ) 之间的滞迟曲线模型。对滞回曲线的重要参数进行了深入分析， 并在此基础上采用f o r t r a n 语言编制相应的单元模块程序，并进行了算例验证分 析。同时，将本文所编制的节点单元程序模块接入本人导师王依群导师所编制的 n d a s 2 d 程序中对框架结构进行计算并与未考虑剪切变形情况的计算结果进行 对比分析。 通过对考虑框架结构节点剪切变形的研究，能够更加客观的模拟并反应框架 结构在地震作用下的弹塑性反应，使得计算结果更加符合工程实际，从而具有较 高的工程应用价值。 第二章节点抗剪机理 第二章节点抗剪机理 2 i 节点核心区抗剪机理【3 】【9 】 节点核心区在开裂阶段、通裂阶段和破坏阶段的受力与破坏过程中，其存在 三种剪力传递机制：斜压柱机制、桁架机制和约束机制。 ( 1 ) 斜压柱机制 在弹性阶段，节点区混凝土没有开裂，核心区箍筋中的应力很小。这时，节 点区剪力主要由混凝土承受，即作用于核心区的斜向压力，由跨越核心区对角的 混凝土斜压柱来承受，这称为混凝土斜压柱机理。在这个阶段中，核心区沿对角 线方向有近似相互平行的主压应力等值线，从而构成了对角压力区，这可说明斜 压柱的存在。 ( 2 ) 桁架机制 在其它条件相同的前提下，随着柱子轴压比的增大，斜压柱的宽度不断的扩 展，主压应力值也随之增大，最后核心区几乎全截面受压。同时，核心区主拉应 力迹线逐渐趋于平缓，且由主拉应力引起的斜裂缝方向也随之变动，最后节点核 心区对角线两端局部的主拉应力大于核心区中部的主拉应力。因而可能在核心区 的四个角部首先出现“八字形的裂缝，当作用于节点区的剪力值达到该区抗剪 能力最大值的6 0 7 0 9 6 时，在节点核心区产生很大的斜向拉力和压力。这时， 核心区混凝土突然出现对角贯通裂缝，箍筋中的应力突然增大，个别的箍筋达到 了屈服，从而使得节点抗剪刚度明显下降，这时节点就处于通裂阶段。当继续反 复施加荷载至梁中纵筋屈服时，节点核心区的混凝土出现多条平行于对角线的通 长裂缝。因此，箍筋中的应力不断增大，并依次地达到屈服。那么，作用于核心 区的剪力主要通过梁中纵筋与核心区混凝土之间的粘结作用来传递，并由核心区 混凝土和箍筋共同承受，从而形成了以横向箍筋为水平拉杆，柱中纵向钢筋为竖 向拉杆，裂缝间为混凝土斜向压杆的桁架机理。 ( 3 ) 约束机制 节点剪切受力除了以上较普遍的斜压柱机制和桁架机制外，还有一种重要的 传力机制“约束机制”：由约束核心区混凝土的箍筋和被约束的核心区混凝 土相互作用所形成的机制。在2 0 世纪8 0 年代后期，日本东京大学的北山和宏、小 谷俊介和青山博之为了测定节点中箍筋应变在组合体反复受力且层间位移角不 断增大过程中的变化规律，在试件设计中，研究者将节点箍筋两个方向按单肢设 1 0 第二章节点抗剪机理 置，试验结果表明，平行于加载方向的箍筋既要承受由桁架机制引起的拉力，又 要承受由节点混凝土在斜向受压后的横向膨胀所引起的被动约束拉力，表明了此 约束机制的存在。同时，重庆建筑大学的傅剑平和白绍良教授根据以前所做的节 点试验并结合他们所做的梁柱组合体试验，也证实了约束机制的存在，并分析了 该机构在节点抗剪各阶段的特点与作用。虽然约束机制不直接参与传递节点抗 剪，但却是使节点抗剪能力维持到组合体到更大变形时所不可缺少的重要前提。 2 2 影响节点剪切变形的因素与分析【1 】【2 】【9 】【1 o 】 节点核心区混凝土受到的斜向拉压作用，造成节点斜向对角线变位，引起剪 切变形。影响节点剪切变形的因素有很多，主要有节点几何尺寸、混凝土强度、 节点配箍特征值、轴压比、剪压比、循环次数。综合上述分析，本文主要考虑以 下三个因素： n ( 1 ) 轴压比n ( c 也槐) 对剪切变形y 的影响 根据文献 8 9 梁柱组合体试验所得到的节点分析数据( 见表2 1 和表 2 2 ) ，从中我们可以看出轴压比对节点剪切变形的影响是比较复杂的，下面分 两种情况加以介绍： 表2 1 当剪压比o 2 时轴压比对节点剪切变形y 的影响，单位( 度) ，c 式 心2 1以= 2以2 3心5 4玩2 5 轴压比刀 0 2o 1 9 0 5 30 6 90 7 82 6 0 2o 1 2o 4 7o 6 7 表2 2 当剪压比 o 2 时轴压比对节点剪切变形y 的影响，单位( 度) ，c 2 心2 1心。2玩= 3以2 4心= 5 轴压比刀 0 20 1 60 4 9o 9 81 3 52 5 0 20 2 30 5 11 1 7 1 8 5 2 6 1 第二章节点抗剪机理 第一种是剪压比小的情况。当轴压比较大时，即使加载后期梁筋出现严重的 粘结退化，受压区混凝土应力增大，但毕竟节点所受的作用剪力较小，由桁架机 构转移到斜压杆机构的水平剪力有限，因此当随着轴压比的增大使核心区混凝土 的主压应力进一步增大时，仍不至于使斜压杆中形成的斜向压应力达到可使混凝 土压碎的程度。当轴压比较小的时候，由于粘结力稍低，作用剪力相对较小，核 心区混凝土不会发生严重损伤，组合体只会因梁筋贯穿段发生过大的塑性伸长和 滑移而导致组合体后期的刚度和耗能性能变得非常差。因此，适量的轴压比，可 以提高组合体的抗震性能，轴压比的有利一面将发挥主导作用。 第二种是剪压比中等或中等偏大的情况。这类试件当受到中等轴压比作用时， 节点内斜裂缝出现相对推迟，梁筋粘结退化速度减慢，节点延缓进入通裂阶段。 这构成了对节点性能有利的一面。但是当节点进入通裂阶段后，由于节点本身所 受的剪力已经不小，斜压杆机构的压力已相对较大，而轴压力又会进一步加大 斜压杆机构的压力，从而使核心区混凝土有可能提前发生斜压破坏，这对节点 抗震性能自然是不利的，此时，节点斜压机构中的压应力较大。如果轴压比越大， 在斜压机构中产生的主压应力就更大，使节点核心区混凝土处于更不利的受力状 态，从而导致节点区混凝土较早斜向压碎。因此应该考虑轴压比的不利影响，而 且随着轴压比的增大，不利影响越显著。轴压比的不利一面将发挥主导作用。这 一“利”和二“弊”两种效果，或“推迟”和“提高 两种效应大致能相互抵 消，因此，轴压比偏大时，这类试件的抗震性能与轴压比很小时几乎没有差别， 对此，可以不考虑轴压比的有利作用。 第三种是剪压比较高的试件，如上所述的轴压比“利”的因素影响将更弱， “弊”的因素影响却将更强。因此必须采取比中偏高剪压比更严格的措施，方能 保证节点区具有必要的抗震延性。 综上所述可以看出，就轴压比对节点抗震性能的影响而言，可以得出这样的 印象： ( a ) 节点受到的剪压比偏小时，轴压力对节点抗震滞回性能的影响是有利 的。在一定范围内随着轴压比的增大，不仅可以提高节点区混凝土的抗剪强度和 节点的抗剪刚度，而且还能推迟节点斜裂缝的出现，从而使得节点剪切变形较小。 并且节点作用的剪压比越小，这种有利效果就越突出，而随着作用的剪压比的增 大，其有利作用逐步减弱。 ( b ) 节点受到的剪压比偏大时，轴压比的增大又会加大节点核心区斜压混凝 土的负担，形成对抗震不利的一面。因此，在此情况下可以不考虑轴压比有利的 作用。 ( 2 ) 剪压比r c = p j ，c 勺对剪切变形y 的影响 第二章节点抗剪机理 其中，主要决定了节点内作用剪力的大小跟节点剪切变形的大小有直接关 系，以q 吩决定了节点区混凝土的截面尺寸和强度。节点的受剪承载能力是直接 跟节点区混凝土的强度以及截面尺寸相联系的，l 勺越大，抗剪能力增强，剪 切变形会越小。剪压比的大小对节点的破坏形态，受力性能和受力状态都起着关 键的作用。 目前对节点性能进行试验，一般是取节点及其相连的梁柱构件组成的节点组 合体进行受力试验，测量的重要内容是梁外伸端的挠度变形，该挠度主要由三部 分组成： ( 1 ) 梁段自身的弯曲和剪切变形； ( 2 ) 节点核心区剪切变形所引起的梁段刚体转动产生梁端挠度变形； ( 3 ) 柱段自身的弯曲和剪切变形所引起的梁端挠度变形； 叠获 心= 1玩= 2玩= 3心= 4以= 5 剪切比吖z 0 20 1 7 6o 5 1o 6 6o 8 71 3 2 o 20 2 0 7o 5 l1 1 l1 6 8 3 3 6 注：表2 - 3 给出了剪压比小于0 2 的试件的试验平均剪切变形y 和剪压比大于0 2 的试件 的试验平均剪切变形y ，以此反映剪压比对剪切变形量的影响。 通过在文献 6 7 9 的粱柱组合体试验所得的数据进行分析( 见表2 - 3 ) 并 结合表卜1 ，可以总结出节点剪切变形引起的梁外端挠度所占比例的变化趋势大 致可以分成两类： t ，lz 第一类是剪压比7j _ ，c 0 7 0 偏小的试件。这类试件往往要达到较大的位移延 性系数时，节点核心区混凝土才有一定损伤。其中一些试件在加载终止时节点核 心区混凝土破碎仍不严重。在这类试件中，当心= l 时，与前一种情况类似，由 于梁端先屈服，粱变形引起的挠度占有较大的比例。在随后的加载过程中，由于 剪压比较小，节点核心区裂缝出现相对比较迟，加之，梁筋在反复荷载作用下粘 结退化较快，传入节点核心区周边的剪力流较弱，桁架机构作用始终不强，故核 心区交叉裂缝发展缓慢。因此，包括梁筋滑移及塑性伸长在内的梁变形所引起的 梁外端挠度始终占主导地位，在梁外端总挠度中所占比例直呈上升趋势。节点 核心区变形则相对较小，由该变形引起的比例始终呈缓慢下降趋势。 第二章节点抗剪机理 第二类是剪压比p 厶乃偏大的试件。在心= 1 时，由于梁端纵筋屈服而使 梁变形引起的挠度占有最大的份额。随着循环次数的增加，节点核心区裂缝开始 迅速发育，核心区混凝土被交叉斜裂缝逐步分割，节点区变形引起的挠度呈迅速 上升的趋势，此阶段粱的弯曲裂缝则有闭合的趋势。尽管贯穿节点的梁筋从节点 中的滑出量越来越大，包含梁筋滑移及塑性伸长在内的梁的变形所引起的梁端挠 度呈上升趋势，但其增长速率仍然比不上节点变形的增长速率。故在随后的位移 延性系数下，节点区剪切变形引起的挠度变形比重在增大，而梁自身变形引起梁 端挠度变形的比重在减小。 在剪压比偏大情况下，在粘结尚未退化的斜拉破坏控制阶段，较大的轴压比 可以减小由桁架机构在节点区产生的主拉应力，推迟斜裂缝的出现并延缓其发 展，有利于节点的抗震性能。而在粘结退化后的斜压破坏控制阶段，较大的轴压 比将增大斜压杆机构中斜向压力，加剧节点核心区混凝土的损伤，从而给节点的 抗震性能带来不利影响。在剪压比偏大时，轴压比的作用可以分为两个阶段： 1 ) 在加载初期，较大的轴压比使节点开裂推迟，有助于减小节点箍筋平行于 加载方向箍肢的应变，使其在加载后期有更大的潜力用于约束机构。较大的轴压 比在加载初期还可以改善梁筋的粘结性能，有效地减小梁筋的滑移，有利于梁端 塑性较的发育，有利于延性框架的塑性耗能，从而给节点的抗震性能带来有利影 响。 2 ) 在加载后期，较大的轴压比却使节点核心区斜压杆压应力大幅增加，加剧 了节点区的损伤，大大抵消了节点箍筋由于混凝土的损伤、膨胀而产生的约束作 用带来的有利影响，综合起来看，给节点的抗震性能带来了不利影响。 因此，在剪压比偏大情况下，节点的设计以不考虑轴压比的有利影响为宜。 ( 3 ) 节点配箍特征值靠厶z 对剪切变形，的影响 节点配箍率为节点高度范围内沿受力方向的箍筋总截面面积与节点面积 之比。在节点内配置的水平封闭箍筋，在垂直受力方向和平行受力方向所起的作 用是不同的。对于垂直受力方向的箍肢主要起约束节点核心区混凝土的作用，提 高传递荷载的能力；对于平行受力方向的箍肢所起的作用除约束节点核心区混凝 土之外，还要承担桁架机构形成的拉力。文献 2 9 1 0 的试验结果表明，只要 节点配箍特征值达到了一个不是很大的数值，就可以避免节点在梁端受拉钢筋屈 服前发生斜拉型剪切失效。在节点作用剪力不是很大的情况下，由于核心区混凝 土受压通常不是引起节点剪切破坏的主要矛盾，故增大节点抗剪能力的主要措施 是加大节点的配箍率，以便使节点箍筋能在较大节点剪力引起的桁架机构和约束 机构拉力作用下屈服得比较迟，减小节点的剪切变形。 1 4 第二章节点抗剪机理 2 3 节点剪切失效形式与破坏方式 4 1 1 9 2 3 1 节点失效方式 在我国节点抗震研究中存在两种观点：一种认为应重点研究梁、柱端屈服前 的节点破坏；另一种则认为应着重研究梁、柱端屈服后的节点性能。因梁柱端最 先屈服是延性框架的必要条件，故后一种观点是正确的。 根据文献 4 9 的节点试验资料，在满足了抗震延性框架所要求的“强剪弱 弯，强柱弱梁的前提下，由于剪压比，轴压比和配箍特征值的对节点不同影响， 中间层中节点的破坏形态大致可分成以下几类( 如图2 1 所示) ： n f cb jh j 图2 1 节点破坏形态 第二章节点抗剪机理 n f cb j h j 图2 - 2 节点失效方式 1 梁、柱端纵筋屈服前的节点剪切破坏 在保证了梁柱端纵筋不会首先屈服的前提下，若节点混凝土强度足够高，但 箍筋过少，则节点核心区中桁架机构引起的斜向拉力引起节点斜向开裂后，由混 凝土承担的_ 部分拉应力转移给箍筋承担，致使箍筋应力突然增大并可能很快达 到屈服，从而产生很大的拉伸应变。节点区斜裂缝集中发展，最后由于斜裂缝过 宽，节点刚度过度退化而发生斜拉型剪切破坏。如节点箍筋足够承担由桁架机构 引起的斜向拉力，而混凝土强度偏低，则节点将在箍筋未屈服或屈服后发生由混 凝土斜向压碎而导致的斜压型剪切破坏。 第一种情况是梁柱未屈服条件下的节点斜拉型剪切破坏或失效。这种失效通 常发生在图2 2 所示的c 气向“岛厶i f 和轴压比胛的相关坐标牟i 区的不 大的范围内。因节点水平箍筋配箍率低，但作用剪力较大，节点将在梁、柱端屈 服前斜向开裂，因配箍少，交替开展的斜裂缝迅速增大。失效时，节点箍筋通常 已经屈服，但仍未拉断，核心区混凝土还不致发生斜向压溃。 第二种情况是梁柱未屈服的可经受多次交替剪切变形的斜压型剪切破坏。这 1 6 第二章节点抗剪机理 种失效通常发生在图2 - 2 所示z q 厅，几厶z 和轴压比刀的相关坐标中i i 区内。此时节点开裂仍出现在梁、柱端屈服之前，因节点配箍量较大，故能形