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东南大学 硕士学位论文 梁柱混凝土强度等级不同节点的施工方法和受力性能研究 姓名：郑娟 申请学位级别：硕士 专业：防灾减灾及防护工程 指导教师：梁书亭;王群依 20070601 1 摘要 梁柱混凝土强度等级不同节点的施工方法和受力性能研究 摘要 本课题来源于江苏省建筑业科研项日( 项目编号j g 2 0 0 6 - - 1 0 ) 。对钢筋混凝土梃架结构中粱桂混凝士强 度等级不同时，框架节点的施工方法和受力性能进行分析研究一 随着社会经济的发展，高层建筑得到了越来越广泛的应用。底层柱由于受到轴压比的控制，同时又不 能选用过大的截面尺寸，所以必然选用强度等级较高的混凝土，丽楼层梁板主要承受本层的楼层荷载，没 有必要采用与柱相同强度等级的混凝土。这就引发了钢筋混凝土结构中，柱混凝土强度等级高于本层梁板 混凝土强度等级的框架节点如何设计和施工的问题。 目前，粱柱混凝土强度等级不同节点最常用的施工方法是用钢丝网片将粱柱进行分隔，这种方法比较 难操作，且容易在梁端钢丝网片分隔面处产生施工冷缝，往往取得事倍功半的效果；另一种方法是基于节 点核芯区受各种约束作用后有效强度提高而提出的，该法直接将节点核芯区与楼层梁板一起浇筑，避免了 分隔的麻烦和不同强度等级混凝土同时输送的问题，但是当粱柱混凝土强度等级差较大时，这种节点的强 度可能达不到要求。 本文首先通过试验手段对比分析梁柱混凝土强度等级差相同时上述两种节点受力性能的差异，选取南 京某框筒结构综合楼韵三层框架节点按2 5 ：1 的比例进行缩尺模型设计。对带楼板的四个中节点和四个边 节点进行低周反复荷载试验，研究当梁柱混凝土强度等级差分别为1 0 m p a 和2 0 m p a 时夹芯节点和非夹芯 节点的承载能力，变形耗能能力等方面的异同。通过对这两种级差的夹芯节点和非夹芯节点比较发现，虽 然夹芯节点核芯区采用低强度等级混凝土，但是由于四边直交梁板和上下柱的约束作用，其混凝土有效抗 压强度和抗剪强度都得到显著提高，因此这种夹芯节点的受力性能与非夹芯节点基本相当，完全可以达到 结构上“强柱弱梁，更强节点”的设计原则。 同时，本文借助大型通用软件a n s y s 9 0 对梁柱混凝土强度等级不同的框架节点进行了分析。分剐利 用l i n k 8 单元和s o l i d 6 5 单元模拟框架节点中的钢筋和混凝土，考虑梁柱混凝土级差分别为1 0 m p a 、2 0 m p a 、 2 5 m p a 、3 0 m p a 时夹芯节点与非夹芯节点核芯区轴压承载力和抗剪承载力的差异。并且，本文对影响夹芯 节点核芯区混凝土有效抗压强度和抗剪强度的各种因素进行了分析，研究了夹芯层厚度及梁柱的相对尺 寸、轴压比等因素对节点核芯区有效强度的作用。 最后，本文采用量纲分析法推导了夹芯节点核芯区混凝的有效抗压强度、抗剪强度计算公式和夹芯 节点核芯区的轴压承载力、抗剪承载力计算公式，并提出了粱柱混凝土强度等级不同节点的设计和施工建 议。 关键词：梁柱节点核芯区，混凝土强度等级，施工方法，夹芯节点，非夹芯节点，有效抗压强度，有 效抗剪强度 2 a b s t r c t r e s e a r c ht oc o n s t r u c t i o nm e t h o da n db e a r i n g c a p a c i t yo ff r a m 匣j o i n tw i t hd i f f e r e n tc o n c i 也t e s t r e n g t hi nb e a ma n dc o l i ，m n a b s t r a c t t h i sr e s e a r c ht o p i co r i g i n a t e sf r o mt h ea r c h i t e c t u r ei n d u s t r y ss c i e n t i f i cr e s e a r c hi t e mj g 2 0 0 6 一1 0o f j i a n g s u p r o v i n c e t h et h e s i sc a r r i e so u ts o m er e s e a r c ho nt h ec o n s t r u c t i o nm e t h o da n db e 鲥n gc a p a c i t yo f t h ef r a m e - j o i n t w h e r et h ec o n c r e t es t r e n g t ho f b e a ma n dc o l u m nw e r ed i f f e r e n t h i g h r i s es t r u c t u r ei sa p p l i e dm o l ea n dm o r ea b o r d l ya l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h es o c i a le c o n o m ya n d c i v i l i z a t i o n b e c a u s et h ec o n t r o lo f t h ea x i a lp r e s s u r er a t i oo f c o l u m ni nt h el o w e rp a r t , a n dt h es e c t i o ns i z ec a r l t b et o ol a r g e , t h ec o n c r e t es t r e n g t hd e g r e eo f t h ec o l u m ni so u g h tt ob eh i d b u tt h eb e a ma n ds l a bj u s te n d u r et h e l o a do ft h ec u r r e n tf l o o r , a n dt h ei n t e r n a lf o r c e sa r eo n l ym o m e n ta n ds h e a r , s oi ti sn o tn e c e s s a r yt oc h o o s et h e s a m ec o n c r e t es t r e n g t hw i t ht h ec o l u m n ap r o b l e mi sc a u s e di nt h eh i g h - r i s ef r a l l es t r u c t u r et h a th o wt oc o n s l n l c t t h ef r a m e j o i n tw h e nt h ec o n c r d es t r e n g t ho f t h ec o l u m ni sh i 曲e l t h a l lt h a to f t t l eb e m u s u a l l y , t h e r ea r et w ok i n d so f c o n s t r u c t i o nm e t h o do f d i f f e r e n tc o n c r e t es t r e n g t hb c a m - - c o l u n m ；o i n t s ，o n ei s t h ej o i n tw i t h o u tf i l l i n g st h a tp o n r e st h ec o l u m na n db e a ms e p a r a t e l y , a n di ti sd i f f i c u l tt oh a n d l e t h e r eu s e dt o e n g e n d e rc o n s t r u c t i o ns e wi nt h ei n t e r c o m m u n i o n , a n dt h ef o r c ep e r f o r m a n c ei sd e c r e a s e d t h eo t h e ri st h ej o i n t w i t hf i l l i n g st h a tp o n r e st h e j o i n ta n dt h eb e a mt o g e t h e r hi sb a s e do nt h ei m p r o v e m e n to f t h ea c t u a ls t r e n g t ho f t h e j o i n t - c o r ed u et ot h er e s t r i c t i o no f b e a ma n dc o l u m n b u tw h e nt h ed i f f e r e n c eb 咖e e nt h ec o l u m na n db e a m c o n c r e t es t r e n g t hi st o ol a r g e ，t h i sm e t h o dm a yr i o ts a f e i no r d e rt oc o m p a r et h eb e a r i n gc a p a c i t yo fd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nm e t h o d , t h ea u t h o rt o o kar e d u c e ds c a l e m o d e lu n d e rl o wc y c l er o t el o a de x p e r i m e n to fo n eb u i l d i n g sf r a m ej o i n la n d4j o i n t sw i t l lf i l l i n g sw e r e c o m p a r e dw i t h4j o i n t sw i t h o u tf i l l i n g s 4s i d ej o i n t sa n d4m i d d l ej o i n t sa 1 1w i t hs l a bw e r es t u d i e da n dt h e c o n c r c t es t r e n g t h d i f f e r e n c e o f b e a m a n d c o l u m n w e r el o m p a a n d 2 0 m p a , n 持d i f f e r e n c e o f b e a r i n g c e p a c i t y a n d d e f o r m a t i o nc a p a c n yb e t w e e nj o i n t sw i t hf i l l i n g sa n dj o i n t sw i t h o u tf i l l i n g sw e s t u d i e d v i at h et w os t r e n g t h d i f f e r e n c e t h ea u t h o rf o u n dt 1 1 a tt h o u g ht h es t r e n g t hi nt h ej o i n tc o r ew a sl o w e rt h a nt h ec o l u m nt oj o i n t sw i t h f i l l i n g sb u tt h ee f f e c t i v ec o m p r e s s i v ea n ds h e a rs 订e n g t hg o tl a r g e l yi m p r o v e db e c a u s eo ft h er e s t r i c t i o no ft h e b e a ma n ds l a ba r o u n da n dt h ec o l u m nd o w na n du p s ot h eb e a r i n gc a p a e i t yo f j o i u t s 、v i t l lf i l l i n g sh a dn ol a r g e d i f f e r e n c ec o m p a r e dw i t ht h ej o i n t sw i t h o u tf i l l i n g s , a n dt h ej o i n t sw i t h f i l l i n g sc o u l dr e a c ht h ea i mo f s t r o n g c o l u m nw e a kb e a m , s t r o n g e r j o i n t ” m e a n w h i l e , f i n i t ee l e m e n tp r o g r a m ea n s y s 9 0w a su s e dl dd os o m ee m b e d d e dr e s e a r c ho f t h ef r a m e - j o i n t t l l a lt h ec o n e r e t es t r e n g t hw a l ed i f l e r e n tb e t w e e nt h ec o l u m na n dt h eb e a l i a e l e m e n tl i n k 8a n ds o i l d 4 5w e r eu s e d t os i m u l a t et h es t e e la n dt h ec o n c r e t e a x i a lc o m p r e s se a p a e i t ya n ds h e a rc a p a c i t yo ft h ej o i n tw e r er e s e a r c h e d w h e nt h ec o n c r e t es t r e n g t hd i f f e r e n c ev a r i e df r o m1 0 m p at o3 0 m p a i no r d e rt oc a l c u l a t et h ea x i a lc o m p r e s s c a p a c i t y a n ds h e a r c a p a c i t y o f t h e j o i n t s w i t h i n g f i l l i n g s ，t h e i n f l u e n c e f a c t o r s o f a x i a l c o m p r e s ss t r e n g t h a n ds h e a r s t r e n g t hw e r ea n a l y z e d a tl a s t , t h ef o r m u l a t i o no fa x i a lc o m p r e s sc a p a c i t ya n ds h e a rc a p a c i t yw e r et a k e no u tb yd i m e n s i o na n a l y s i s m e t h o d ，t h es u g g e s t i o no f d e s i g na n dc o n s l r u c t i o ni sa d v a n c e d ， k e y w o r d s ：c o l u m n - b e a mj o i n tc o r e ，c o n c r e t es t r e n g t h , c o n s t r u c t i o nm e t h o d ，j o i n tw i t hf i l l i n g s ，j o i n t w i t h o u tf i l l i n g s ，a x i a lc o m p r e s ss t r e n g t h ，s h e a rs t r e n g t h i i 3 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，论文中不包含其铯入已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南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。 研究生签名：姿望晷日期：掣，7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：料导师签名：噬日期：0 7 6 ，夕 4 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 钢筋混凝土框架结构由于结构简洁、抗震性能良好，得到了广泛的应用。在框架结构中，节点是结构 的传力枢纽，起着传递和分配内力、保证结构整体性的作用。我国是地震多发国家之一，在地震作用下， 节点核芯区经受着很大的水平剪力，一般约为柱子剪力的4 , - - 6 倍，容易产生剪切脆性破坏，从而大大降低 了节点的强度、刚度和耗能能力”j 。节点区一旦破坏，会使结构处于极为不利的受力状态，甚至导致整个 结构的坍塌，因此节点应该具有足够的强度和必要的延性，即使在强烈地震作用下也不应该发生破坏。 在高层建筑中，底下几层柱子为了满足轴压比的要求，同时要控制截面不能过大，采用较高等级混凝 土是一种必然，而对于受弯为主的楼层梁板，过高强度等级的混凝土是不需要且不适宜的j 。因此，目前 大部分结构当中都存在柱( 墙) 混凝土强度等级高于粱( 板) 混凝土强度等级的问题。这种情况在设计人 员看来是很容易理解的，但是几乎每一个工程在设计交底时施工单位都会提出：粱柱混凝土强度等级不一 致，施工时节点构造复杂，处理难度大。有些施工单位干脆将梁柱的混凝土强度等级按照较高混凝土强度 等级进行统一施工，以加快施工进度和降低拖工难度。 高层建筑框架结构( 包括框- 剪、框- 筒结构) 的梁柱节点区混凝土如何浇筑才能满足承载力要求，是 长期困扰着设计和施工人员的一个问题。高层建筑混凝土结构技术规程( j g j 3 2 0 0 2 ) 对梁柱节点区混凝 土的设计及施工并未做出明确的规定，仅建议粱柱混凝土强度等级差不宜超过5 m p a m 。而在高层建筑混凝 土结构的设计与施工中，梁柱混凝土强度等级差超过5 m p a 的问题又是难以回避的。因此。如何解决这一难 题引起了工程界的强烈关注。目前最常用的施工方法如文献【4 】中所述，将梁柱混凝土分别浇筑，该方法不 仅难于施工，而且强度也得不到很好的保证。因为如果要求其中的梁柱节点单独浇筑，则首先是混凝土供 应量及浇筑时间不易控制而导致质量事故，其次是节点区与梁板之间的分隔确实存在难度，所以取得的效 果往往是事倍功半，存在很大质量隐患。混凝土的浇筑施工几乎都是采用商品混凝土泵送工艺，而且施工 时习惯于将水平构件和竖向构件分两批集中浇筑，为了方便节点区施工往往采用与楼盖相同强度等级的混 凝土浇筑。那么框架节点在这种浇筑方式下产生的强度和变形能力能否满足结构安全性的要求呢? 为此有 必要对梁柱混凝土强度等级差不同的框架节点施工方法和受力性能进行研究。 1 2 梁柱混凝土强度等级不同的钢筋混凝土框架节点研究现状 国内外历次大地震的震害表明，钢筋混凝土框架结构的梁柱节点是结构抗震的一个薄弱环节，它的破 坏是引起建筑物破坏的主要原因之一i l l o 自上世纪六十年代以来，国内外对现浇框架节点的抗震性能相继 开展了大量的研究，逐步探索了如何改善节点的强度和延性，并且对节点抗震能力的计算方法也提出了许 多设计建议。研究成果很多，也基本成熟1 1 h 8 】。但是，针对梁柱混凝土强度等级不同的节点设计和施工 方面的研究还不是很全面。 1 2 i 节点核芯区混凝土有效强度研究现状 对于节点核芯区混凝土有效抗压强度，国外已有不少成果。最早的试验资料是1 9 6 0 年发表在a c i j o l l l n a 上的b i a n c h i n l 等人的文章 9 1 。当时美国已开始用较高强度的混凝土柱子与较低强度的楼板，因此需 要研究梁柱节点采用与楼板相同的较低强度的混凝土时，节点的承载能力。该报告指出，楼板混凝土强度 1 5 东南大学颂i ：学位论文 对讧点区混凝土强度的影响可能与如f j l 个冈素有关： ( 1 ) 楼板和梁所造成的侧向约束； ( 2 ) 柱子混凝土强度与楼板混凝士强度的相对比例； ( 3 ) 楼板厚度与柱截面尺寸的比例关系； ( 4 ) 柱纵筋配置量的大小； ( 5 ) 柱顶轴向荷载作用的位置。 该报告共试验了5 4 个节点，包括中柱、边柱和角柱。试验结果被美国混凝土规范采用，自1 9 6 3 以来， 该内容在a c l 3 1 8 规范中基本没有变化，该规范公式为： 若无1 饥，贝屹= 厶； ( 1 1 ) 若无 1 4 尼，且是边、角柱，贝峨= 丘：0 - 2 ) 若丘 1 4 f ，且是中柱，则名= o 3 5 厶+ o 7 5 尼。( 1 3 ) 式中 丘核芯区混凝土有效抗压强度； 疋柱混凝土抗压强度； 兀粱板混凝土抗压强度。 g a m b l e 与k l i n a r 在1 9 9 1 年做了1 3 个板柱试件以研究尺寸，强度与约束条件等因素对柱轴压强度的 影响1 。他们将试验结果与a c l 规范进行比较，认为当柱混凝士强度与楼板混凝土强度之比大于t 4 时 a c i 的公式偏于不安全。 s h u 和h a w k i n s 在1 9 9 2 年发表了包含5 4 个试件的试验报告i ”1 。这些试件在柱中间夹了一层强度较低 的楼板，但柱周围并没有楼板，用这些试件来研究楼板夹芯层厚度与柱截面高度对核芯区强度的影响。 o s p i n a 与a l e x a n d e r 于1 9 9 7 年发表了包含3 0 个试件的试验报告f ”i 。提出考虑柱截面高度c 以及楼板 厚度或粱高h 的节点混凝土有效强度计算公式。认为；( 1 ) 当楼板上的荷载增大时，柱的有效强度降低是 设计时需要考虑的因素；( 2 ) 当h c 增大时，柱的抗压强度降低；( 3 ) 1 9 9 5 年a c i 的规范与加拿大规范 c s 从2 3 3 - 9 4 有类似的条文，他们的结果对于较大的h c 值是不安全的，而对于较小的h e 值加拿大规范 过于保守。他们所提出的公式如下： 无= 无+ 而丽1 虹吒) 式中 ( 1 4 ) h 楼板厚度或梁截面高度； f 柱截面高度； m c h a r gpj 等人在2 0 0 0 年发表了1 2 个柱子的试验报告【1 3 1 。其中六个是先做完板的抗冲切承载力试验 后再做柱承载力试验，另六个是独立柱，周围无楼板，仅在节点区有强度较低的楼板夹层。试验结果认为： ( 1 ) 当试件柱子周围有楼板时，楼板的约束作用使柱的轴压强度及延性增加，其增加幅度为2 9 - 4 3 ， 板内钢筋集中布置在柱附近的试件比板内钢筋均匀布置的试件增加幅度要大。 ( 2 ) 加拿大规范c s a s t a n d a r d 的公式较为安全，美国规范a c i c o d e 的公式中，当柱的混凝土强度与楼 板混凝土强度之比大于1 4 时，可能给出偏于不安全的结果。 ( 3 ) o s p i n a 与a l e x a n d e r 所给出的公式计算结果与试验数据最吻合。 国内的舒传谦也对节点的轴心受压承载力进行了研究i “】。他将核芯区混凝土有效强度归结为四项因素 组成，即：楼盖混凝土强度、上下柱高强混凝土的约束作用，上下柱传来的荷载在周围楼盖中的扩散作用、 2 6 第一章绪论 楼盖中水平钢筋提供的约束作川，这四项基本上概括了上述学者提到的各种因素。 1 2 2 梁柱混凝土强度等级不同节点的设计和施工方法 在试验研究节点抗剪强度和变形能力时，国内外研究者大多以强构件弱节点做为研究对象将梁、柱 视为加载工具的一部分，从而过分的提高梁、柱的承载能力。当节点破坏时，梁柱对于核芯区混凝土的约 束仍处于相当好的受力状态。而按规范设计的框架，梁、柱出现塑性铰后，丧失了对节点的约束，使得节 点的强度和变形能力降低，节点的实际抗压和抗剪强度要低于强构件弱节点试验中测得的节点强度对应 值。因此，研究强节点弱构件试件中梁、柱出铰后节点核芯区的强度和变形能力更符合实际需要。 在我国高层建筑混凝土结构技术规程( j g j 3 2 0 0 2 ) 中，有关框架粱柱节点区混凝土的设计和施工 有如下的几点条文说o y j t 3 ) ： ( 1 ) 当柱混凝土设计强度高于粱、楼板的设计强度时，应对梁柱节点混凝土的施工采取有效措施： ( 2 ) 高层建筑不同强度的梁、柱节点混凝土浇筑需要有关单位具体协商解决； ( 3 ) 抗震设计时，一、二级框架的节点核芯区应按本规程附录c 进行抗震验算；三，四级框架节点以及 各抗震等级的顶层边节点核芯区可不进行抗震验算； ( 4 ) 凡是梁柱节点的混凝强度低于柱混凝土强度较多者，必须仔细验算节点区的承载力，包括受剪、 轴心受压、偏心受压等，并采取有效的构造措施。 这些条文对于粱柱混凝土强度等级不同节点的设计和施工并没有提供具体可行的参照依据。设计和施 工人员对于这类节点的认识，还是处于模糊状态，有时候干脆跳过这个问题，不予考虑，所以抗震设计原 则中的“强节点”也就无法得到保证。 对于将节点与梁板一起浇筑的夹芯节点，国内工程界已有人提出过一些设想和建议，但都缺乏试验依 据。如原北京建筑设计院结构总工程师郁彦认为在轴压设计时，上下柱要受轴压比限制，而节点区柱在侧 向粱板支撑的有利因素下不受轴压比限制且要考虑纵筋的轴压贡献1 1 ，j 。北京建筑设计院的程懋垫提出了一 些方案闭：最大梁，柱混凝土差别达c 3 0 c 6 0 或c 2 5 c 5 0 的情况亦可采用夹芯节点，采用国外轴压试验得出 的有效强度公式作为核芯区混凝土的有效强度，然后将其代入我国规范公式，验算核芯区的抗压和抗剪承 载力，而且不考虑轴压比限制；对上面验算承载力不足的情况下，增加粱宽或在节点区加腋从而加大核芯 区面积。 对于粱柱混凝土强度等级不同的节点施工方法，我国并没有明确的条文规定。因此这类节点如何施工 的问题给施工单位带来很大麻烦。广东省建筑设计研究院张元坤总工曾经对此进行过研究”州，他认为当梁 板混凝土强度等级与柱的混凝土强度等级相差5 m p a 时，节点区完全可以与楼盖一起浇注；当粱板混凝土强 度等级比柱的混凝土强度等级分别低于1 0 m p a 和1 5 m p a 时，节点区需增设竖向短筋，其数量分别为柱主筋 配筋量的5 0 和1 0 0 ；当梁板混凝土强度等级比柱的混凝土强度等级低2 0 m p a 及以上时，再靠增设节点区 竖向短筋来提高其抗压强度已不可行，其原因是短筋数量太多无法布筋，此时节点区需采用与柱相同强度 等级混凝土单独浇注。安徽电力设计院的何玲提出在节点内加型钢来加强核芯区i l ”。张亚英则认为 t s l ，在 采用夹芯节点时可以通过在节点区加设纵筋或设型钢来解决竖向承载力不足的问题，通过在节点范围内增 大箍筋直径或者减小箍筋间距来解决节点区抗剪承载力不足的问题。 1 3 钢筋混凝土框架节点的抗震性能及要求 节点施工方法不同，其受力性能可能有差别，因此为探讨梁柱混凝土强度等级不同节点的施工方法 3 7 东南大学硕十学位论文 必须研究肖点的抗震性能，以满足抗震要求。 1 3 1 节点的抗震要求 1 纵筋在节点处的粘结锚周 框架粱纵筋在中柱节点核芯区通常采用连续贯通的钢筋。在反复荷载作阁下，梁纵筋先在节点一侧受 压，另一侧受拉，再反向加载时，则原受压一侧变为受拉，原受拉一侧变为受压。如此反复交替，当节点 核芯区与梁交界处裂缝尚未闭合时该处梁筋单独受压。对于这样的梁纵筋，在节点核芯区将产生很高的粘 结应力，因此易产生粘结破坏，使梁筋受压一边也逐渐变为受拉，并导致梁纵筋在节点核芯区贯通滑移。 作用在节点核芯区的总水平剪力不会因核芯区钢筋的粘结退化而发生变化，但粱纵筋产生滑移破坏了 节点核芯区剪力的正常传递。粱筋粘结锚固性能对节点总抗剪能力影响不大，但会明显降低核芯区混凝土 的耗能和延性，同时梁边界截面受压钢筋变为受拉，也使梁抗弯能力及延性降低，而且导致整个框架的刚 度显著减小。 根据国内外试验研究的结果，为保证纵筋在节点处的粘结锚同性能有如下要求： 1 混凝士 在抗震结构中，无论是从粘结还是抗剪角度看，混凝土强度不宜低于c 2 0 ，水灰比应该严加控制。 2 钢筋 主筋应采用变形钢筋。而且应该以细而密的配筋方式较优，因为选用直径较细的钢筋其粘结性能较好， 若考虑到混凝土浇筑等问题非得选用大直径钢筋时应该增大保护层厚度，增加锚固长度或者采用附加锚板 等方式。 对于箍筋，采用直径较小、间距较密的配箍方式对粘结和抗剪都是有利的。 3 锚固长度 考虑到地震反复荷载会降低枯结强度，应在基本锚固长度的基础上增加抗震要求的附加锚固长度。另 外考虑到柱边钢筋与混凝土的粘结损失比较明显，锚固长度不应该从柱边算起。 4 约束 在钢筋的垂直方向增加约束，可以大大地改善钢筋在地震作用下的粘结性能。约束可以是施加轴向力 或用钢筋跨越滑移裂缝将锚固钢筋夹紧。 在钢筋弯折范围内需要配置足够的箍筋，以约束核芯区混凝土，保证粘结作用的发挥。当节点所受轴 向压力很小时，在节点内设置垂直钢筋也可以防止粘结破坏的过早发生。但是如果钢筋的肋前混凝土被压 碎且钢筋外径周围摩擦抗剪能力丧失，再增加约束也不能解决钢筋的粘结锚固问题。 2 节点的延性要求 对于节点的延性要求，主要是针对临近核芯区的粱端和柱端而言的。要求梁端和柱端有较大的变形能 力，即使出现塑性铰也不致产生梁柱剪切破坏。对于节点核芯区并不要求有很大延性，而是要求有较大的 强度和刚度，以保证粱上塑性铰出现之前不发生核芯区剪切破坏和钢筋锚固破坏。 目前在结构物的设计中，一般不直接规定位移延性的具体数值，而是隐含在其他设计参数中。比如我 国规范中规定的结构重要性影响系数、钢筋配筋率、挠度限值等。对于建筑物的延性要求，新西兰r p a r k 等人研究认为：对于塑性铰出现在梁上的钢筋混凝土框架，为了承受强烈地震引起的运动，位移延性系数 约为4 。一般来说，对纯框架结构要求位移延性为3 5 ，对框剪结构中的框架部分延性要求可适当降低。 3 节点的强度要求 框架节点应该具有足够的强度。由于地震对建筑物反应的不确定性，抗震设计的预期设防目标必须要 做到“小震不坏，中震可修，大震不倒”。对框架结构来说，目前多遵循“强柱弱梁”的设计原则。要求 4 8 第一章绪论 节点在地震发生时还能正常传递竖向荷载，梁柱肖点组合体中柱端抗弯强度必须人丁| 梁端抗弯强度，保证 柱子有较大的强度储备。使得组合体最终发生梁端受弯破坏，梁中钢筋受拉屈服，而不允许产生混凝七先 压碎及构件的剪切破坏和锚 古l 破坏等脆性破坏。对节点核芯区混凝士来说，则要求有足够的抗压强度和抗 剪强度，即使在大震作用下仍能有效传递竖向荷载和水平剪力。 1 3 2 节点抗剪的基本机理 节点抗剪受力机理，受到各种因素影响。其中包括：混凝土强度等级，钢筋强度等级，节点内配箍构 造以及梁柱主筋的锚固状况等。根据大量的中间十字型节点的试验观察，目前酱遍接受的有三种基本受力 机理【”。各国规范的节点抗剪设计公式正是以这些模型为依据并结合大量试验形成的。 1 剪摩擦机理 此模型适合于核芯区混凝土受剪破坏，水平箍筋屈服而粱筋没有发生粘结破坏的情况。节点在较大剪 力作用下，核芯区混凝土常沿对角线产生裂缝，将核蕊区分成两块，两块之间产生滑动摩擦，与裂缝相交 的水平箍筋均受拉屈服。节点的抗剪能力可由两部分组成：一是穿过裂缝的箍筋屈服时所承担的力；二是 核芯区的对角线处，在弯曲应力下所产生的混凝土摩擦力。这两部分组成的摩擦阻力即为节点的抗剪能力， 故称为剪摩擦机理。 剪摩擦机理的模型示意图见图1 1 a ，按此模型，节点核芯区的抗剪强度可由混凝土和箍筋两项之和求 得。节点核芯区抗剪强度公式如下： = k + 圪 ；”( + ；錾) c o s 2 口+ 生( h b o - t ) ( 1 - 5 ) o q 。s 式中 o 7 摩擦系数5 嚏o 、分别为柱截面有效高度和梁截面有效高度； 柱轴向力； 蚝邻近节点的梁端弯矩。 2 斜压杆机理 “ 当核芯区没有箍筋或者箍筋很少时，节点的抗剪承载能力主要由核芯区混凝土所控制。这种模式适合 于梁或柱承载能力较低而节点核芯未受到严重损坏的情况。 在混凝土开裂以前，通过电阻片量测或者光敏薄层观测。证明有一条潜在的斜压杆存在，沿对角线方 向的压应交数值几乎是相等的。当节点核芯区箍筋较少时，节点承载力主要由核芯区混凝士提供，当核芯 区出现斜裂缝之后，在两条斜裂缝之问也形成了一个斜压杆，晟后斜压杆的混凝土破坏，节点达到极限强 度。如图1 1 b 所示，按此模型，节点核苍区抗剪强度取为斜压秆抗压强度的水平分量。公式如下： = o 8 z 口玩c o s o( 1 6 ) 式中 0 8 混凝土强度降低系数，考虑交叉斜裂缝的影响； 良柱截面宽度； 口斜压杆轴线和水平面之间的夹角； 口斜压杆的等效宽度。参考试验资料，用梁柱的内力臂长度来表示，取 5 9 东南人学硕卜学位论文 日= o 3 ( 吃。一以) 2 + ( 吃o - a 1 ) 2 ，式中。、吃。分别为梁桂截面有效高度。 3 桁架机理 当核芯区既配有水平箍筋，义配有垂直钢筋时，核芯区犹如一只网状的笼子。在反复荷载作用下，当 节点承受很大的剪力、核芯区产生多条剪切裂缝时，混凝土斜压杆的作用降低。大部分剪力可假定由一个 桁架机制来承担，如图l - 1 c 所示。在节点的断面上剪力可以被分解成平行于剪力裂缝的斜压力e 、一个 水平拉力、一个垂直拉力。此时，可以设想，由水平箍筋承担水平拉力，由垂直钢筋( 包括中间柱 筋) 和柱轴向力承担垂宣拉力，由斜裂缝之问的混凝土( 在箍筋的约束下) 承担斜压力，组成平衡体系， 形成桁架机理。根据桁架机理，节点核芯区抗剪承载力计算公式如式( 1 7 ) 所示。 砟= k - f 圪( 1 - 7 ) 式中 k 混凝土斜压杆水平抗剪承载力，e 的水平方向分量； k 水平箍筋水平抗剪承载力。 按照桁架机理，节点核芯区的抗剪强度将受混凝土、柱轴向力、水平箍筋和垂直钢筋共同控制。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的需要量。 上述三种节点受力机理被应用于各种不同的破坏型式和不周的设计规范中，有些机理是单独使用的， 有些是两种机理综合起来解释使用。例如，前苏联的节点设计是以斜压杆机理为基础，新西兰的节点设计 是以斜压杆和桁架机理共同作用为依据。 ( a ) 剪摩擦机理 ( b ) 斜压杆机理 10 第一章绪论 hc “ ( c ) 桁架机理 图1 1节点抗剪机理 1 3 3 节点剪切破坏的典型过程 l 盛 沁呤 、i 在反复荷载作用下，粱柱节点核芯区所受的外力主要有柱子传来的轴向力，弯矩，剪力和梁传来的弯 矩、剪力等，最终在轴向力和剪力的共同作用下，节点核芯区产生斜拉力和斜压力。 节点核芯区剪切破坏的过程，一般可分为弹性、通裂、破裂和最后破坏等几个阶段。相应的节点剪力 主要传递形式分别为混凝土斜压杆机理、桁架机理和剪摩擦机理例。弹性阶段，节点核芯区混凝士没有开 裂，核芯区箍筋中的应变很小。这时节点区剪力主要由混凝土承受，即作用于核芯区的斜压力，由跨越核 芯区对角线的混凝土斜压杆来承担，表现出混凝土斜压杆抗剪机制。在这个阶段可发现，核芯区对角线方 向有近似相平行的主压应力等值线，从而构成了对角压力区，这说明斜压杆的存在。随着柱子轴压比增大， 斜压杆宽度不断扩展，当轴压比达到0 7 左右时，核芯区几乎全截面受压。同时随着轴压比增大，核芯区主 拉应力际线方向逐渐趋于平缓，且由主拉应力引起的斜裂缝方向也随之变动。 当作用于节点的剪力达到核芯区抗剪能力最大值的6 0 * , - 7 0 时，在节点核芯区产生很大的斜向拉力和 压力。这时核芯区混凝土突然出现对角贯通裂缝，箍筋应力突然增大，个别箍筋达到屈服，节点抗剪刚度 明显下降，这时节点处于通裂阶段。随着荷载继续加大，核芯区混凝土出现多条平行于对角线的通长裂缝。 箍筋应力不断增大，并依次达到屈服，此时作用于核芯区的剪力主要通过梁纵筋与核芯区混凝土之间的粘 结作用来传递，由核芯区混凝土与箍筋共同承受，形成以横向箍筋为水平拉杆、柱纵向钢筋为竖向拉杆， 斜裂缝间混凝土为斜向压杆的桁架机制。 随着荷载继续增大，节点区两侧梁中纵筋进入屈服强化阶段。这时作用于节点核芯区的剪力可达到最 大值，粱纵筋在核芯区的锚固逐渐减弱并产生滑移。此时，核芯区剪力除了小部分通过梁筋与混凝土的残 余粘结力传递，主要通过梁与核芯区交界面裂缝闭合后的混凝土局部挤压来传递。与此同时，核芯区裂缝 宽度不断增大，箍筋伸长，混凝土沿裂缝产生相对错动，从而使已产生的斜裂缝不能完全闭合。核芯区混 凝土被多条交叉斜裂缝分割为若干块菱形体，在纵向柱筋和横向箍筋的共同制约下，形成了节点抗剪的剪 摩擦机制，核芯区受力状态进入破裂阶段。进入破裂阶段后，节点刚度不断下降，残余变形增大，混凝土 保护层不断剥落。若葡载再增大，混凝土块体被压碎，裂缝间骨料因不断磨损而脱落，最终丧失咬合作用- 这时，节点核芯区的承载能力就开始下降，导致节点的最后破坏p j 。 7 11 东南人学硕卜学位论文 1 4 本文的研究内容及研究方法 各国规范中，对梁柱混凝土强度等级不同的框架节点设计问题没有提出明确的条文说明。所建议的当 粱柱混凝土强度等级相差较多时需要验算节点区的承载能力，让设计人员无所适从，一是因为其所说的混 凝士强度等级相差较高的“高”并无量化，二是规范中并没有此类节点的承载力验算公式。所以本文的研 究就显得非常有意义。 1 4 1 本文的研究内容 本文以江苏省建筑科研项目( 项目批准号为：j g 2 0 0 6 - 1 0 ) 为背景，采用节点缩尺模型试验与计算机 有限元软件计算相结合的方法对高层建筑中梁柱混凝士强度等级不同的框架节点进行研究，其中主要内容 包括以下几个方面： 1 调查和分析梁柱混凝土强度等级不同的节点的施工情况，探讨节点的抗震要求和受力机理； 2 对于梁柱混凝土强度等级差不同的非夹芯节点和夹芯节点的空间模型进行低周反复荷载试验，比 较当粱柱混凝土级差相同时夹芯节点与非夹芯节点在承载能力和耗能能力等方面的异同； 3 利用有限元软件对梁柱混凝土强度等级不同的梁柱节点进行系统地分析，研究节点核芯区的轴压 承载力和抗剪承载力； 4 ，根据研究成果推导夹芯节点的承载力计算方法； 5 提出粱柱混凝土强度等级不同的节点的设计建议和旌工方法。 1 4 2 本文的研究方法 1 通过理论分析和试验研究，定量地分析出夹芯节点与非夹芯节点承载力的差异。确定当梁柱混凝 土强度等级限制级差为多大时，工程上完全可以用夹芯节点代替文献【4 】中规定的粱柱分别浇筑的非夹芯节 点； 2 对于夹芯节点的承载力影响因素利用有限元软件进行系统研究，从而得出每种因素对节点轴压承 载力和抗剪承载力的影响程度； 3 采用量纲分析法对梁柱混凝土强度等级不同的夹芯中节点承载力计算公式进行推导。 参考文献： 【1 】唐九如钢筋混凝土框架节点抗震 m 】南京：东南大学出版社，1 9 8 9 【2 】程懋垄，高强混凝土柱的粱柱节点处理方法们建筑结构，2 0 0 1 ，n o 5 【3 】中华人民共和国国家标准j g j 3 - 2 0 0 2 高层建筑混凝土结构技术规程【s 】北京：中国建筑工业出版社， 2 0 0 2 【4 】赵西安现代高层建筑结构设计 m 】北京：科学出版社。2 0 0 0 【5 】施养杭现浇钢筋混凝框架粱桂节点力学性能分析啊华侨大学学报，1 9 9 4 ，n o 4 【6 】m u h a m m e dam u k a d d a m ，m a j i bb k a s t i r e i n f o r c e dc o n c r e l e j o i n t su n d e r c y c l i c l o a d i n g j j o u r n a l a s c e ，1 9 9 6 ，a p t 【7 1 tp a u l y ，ac r i t i q u eo ft h es p e c i a lp r o v i s i o n sf o rs e i s m i cd e s i g no ft h eb u i l d i n gc o d er e q u i r e m e n t sf o r r e i n f o r c e dc o n c r e t e j ，j o u r n a l a c i ，1 9 8 6 ，m a r - a p r 8 12 第一章绪论 ( 8 】t u e d a ，ll i n ，n m h a w k i n s b e a m b a r a n c h o r a g e i n e x t e r i o r c o l u m n b e a m c o n n e c t i o n s i j o u r n a l a c i ， 1 9 8 6 ，m a y - j u n t 9 1 b i a n c h i n iac ，w