考虑节点剪切变形影响的钢筋混凝土框架地震反应分析硕士学位论文.doc

硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 考虑节点剪切变形影响的钢筋混凝土 框架地震反应分析 导师姓名职称 申请学位级别工学硕士学科专业名称结构工程 论文提交日期年 月 日 论文答辩日期年 月 日 学位授予单位长安大学 答辩委员会主席 学位论文评阅人 Study on the Seismic Response of RC Frame that Consider the Joint Shear Deformation A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate He Xiliang Supervisor Prof Wu Tao Chang an University Xi an China 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行研究工 作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 年 月 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属学 校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利等权 利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 年 月 日 导 师 签 名 年 月 日 摘 要 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 框架节点的变形主要由节点的剪切变形和梁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节点模型的剪切刚度修 正来加以考虑 目前对钢筋混凝土结构抗震分析和计算时 一般都假定节点是刚性的 实际上完 全刚性的节点是不存在的 尤其是在罕遇地震作用下的框架结构更是如此 因此 在 进行钢筋混凝土框架结构地震反应分析时考虑节点剪切变形的影响显得很重要 本文基于 Clough 双线型恢复力模型和 Takeda 刚度退化三线型模型的基础理论 提出了符合节点抗剪机理的节点剪力与剪切变形之间的三线型滞回曲线模型 并主要 考虑了剪压比 轴压比 配箍特征值三个因素对节点剪切变形的影响 给出了节点在 各个阶段剪切刚度的计算公式 根据以上节点单元模型分析 利用 SAP2000 有限元分析软件对给定框架进行弹塑 性时程分析 得出框架结构的层间位移角和顶点位移 主要结论和建议如下 1 本文提出了符合节点实际剪切变形的节点力与变形的三线型恢复力模型和节 点参数的计算公式 并将其应用于第四章中节点弹簧的定义当中 2 第一次尝试把这种节点 宏模型 应用于整体框架 并提出了 宏模型 中 弹簧轴向刚度的计算方法 3 利用有限元软件 SAP2000 对考虑节点剪切变形和不考虑节点剪切变形的两 种框架进行动力分析 通过改变输入最大地震加速度和节点单元参数 最后得到了各 种情况下的计算结果 经过对比分析可看出 软件的计算结果与前面所述各因素影响 节点剪切变形的规律基本相一致 证明本文提出模型单元的合理性和有效性 4 节点剪切变形对整体框架的影响大小与地震作用大小有关 其随地震作用的 增大而增大 Comment U1 将该行并入上一页 关键词 梁柱节点 宏模型 滞回曲线 剪切变形 半刚性 时程分析 ABSTRACT The deformation caused by shear deformation have a small proportion of the total deformation of structure when it is on elastic state but have a large proportion when it is on elastic plastic state especially for the joints which don t be checked for their seismic shear or endure high ratio of shear force to concrete compressive force Beam column Joint deformation contains shear deformation and slip of longitudinal reinforcement passing through joint But in this paper shear deformation is mainly taken into account and slip of longitudinal reinforcement passing through joint is considered just by modifying its rigid matrix of the joint shear element when its effect is important At present joint is generally considered rigid when we have a analysis and calculation on seismic shear of joint In fact the absolute rigid joint is impossible especially when joint is endure the effect of seismic forces So it is very important to consider the effect of joint shear deformation on structure In this paper the resilience model between joint shear force and joint shear deformation is established on the base of the model of Tekeda and clough Four factors that axial compression ratio shear compression ratio and hoop reinforcement ratio are considered in the model of joint shear deformation and establish the calculation formula of rigid matrix in every stage of Joint shear deformation For the above resilience model of joint element the article uses a Nonlinear Static time history analysis on a frame structure by the finite element analysis software of SAP2000 at last obtains the top displacement and the nterstory drifts angle 1 In this paper establish the resilience model between joint shear force and joint shear deformation and the calculation formula of joint parameters and which is applied in chapter IV which defines the joint spring 2 The first attempt to apply this joint macro model to the overall frame And the calculation method of axial stiffness of the spring in this macro model is proposed in this page 3 The article uses a time history analysis on two frame structures of joint shear deformation and no joint shear deformation by the software of SAP2000 The calculation results have been got by changing the maximum seismic acceleration parameters and the joint parameters The comparative analysis show that the Software results and the law above mentioned of various factors of joint shear deformation is essentially the same 4 The impact of joint shear deformation on the overall frame depends on the Seismic level The effect will be increased with the increasement of the earthquake KEY WORDS beam column joint macro model resilience curve shear deformation semi rigid time history analysis 目目 录录 第一章 绪论 1 1 1 1 节点破坏综述 1 1 2 国内外节点研究概况 1 6 10 2 1 3 节点剪切变形研究的目的和意义 4 1 4 目前节点研究存在的问题 1 10 5 1 5 本文研究的主要问题和所采用的方法 6 第二章 框架节点抗剪机理 8 8 2 1 节点核心区剪力传递机制 4 10 8 2 2 钢筋混凝土框架节点剪切变形的影响因素 1 3 10 11 13 2 3 节点核心区的受力性能与破坏过程 1 3 4 11 18 2 4 节点剪切失效形式与破坏方式 5 10 19 2 4 1 节点失效方式 19 2 4 2 节点受力特征与剪切失效形式 23 2 4 3 节点的强度和延性要求 24 第三章 节点核心区的剪切变形 2626 3 1 框架节点的受力 10 11 26 3 2 节点剪切变形 1 11 27 3 3 现有节点模型分析 18 22 26 28 34 29 3 4 本文节点的恢复力模型 30 26 23 28 32 3 4 1 本文建立的节点恢复力模型 32 3 4 2 本文节点V 恢复力模型假定 9 32 3 4 3 节点模型参数 10 11 12 21 24 29 38 34 第四章 考虑节点剪切变形的整体框架分析 4040 4 1 本文节点核心区剪切变形的分析模型 40 4 2 SAP2000 有限元分析软件简介 43 4 3 半刚性混凝土框架的动力非线性分析 时程分析方法 43 4 4 模型建立及相关问题 44 4 4 1 弹簧滞回模型的定义 45 4 4 2 本文所采用地震波的选用 46 4 4 3 框架模型参数 47 4 5 节点剪切变形影响因素分析 51 4 5 1 轴压比对节点核心区剪切变形的影响 52 4 5 2 剪压比对节点核心区剪切变形的影响 56 4 5 3 本章分析结论 58 结论与展望 5959 1 本文的主要结论 59 2 有待进一步研究的问题 59 参考文献 6161 致 谢 6464 第一章 绪论 1 1 节点破坏综述 框架节点是框架结构中不可缺少的一部分 所谓 框架节点 主要是指承重框架 中的梁柱节点 具体地说 主要是指框架梁与框架柱相交的节点核心区以及与其邻近 的梁端和柱端区域 框架节点是结构传力的枢纽 它在框架中起着传递和分配内力 维持结构整体性的作用 国内外历次大震表明 1 图 1 1 是 2008 年汶川地震时节点的 典型破坏形式 钢筋混凝土框架结构的抗震性能比较好 但是没有经抗震设防设计 的钢筋混凝土框架结构却存在许多的薄弱环节 有相当数量的此类结构在八度及以上 的地震作用下会产生不同程度的破坏 甚至会造成结构倒塌 通过对钢筋混凝土框架 的地震破坏分析可得出 破坏较为突出的区域发生在柱端和梁柱节点区 其中导致整 体结构破坏的主要原因之一就是节点的损坏 而且此类结构破坏后修复较为困难 因 而 梁柱节点是整个结构体系抗震的一个薄弱区域 为保证整体结构具有良好的抗震 性能 所以节点应具有足够的刚度和强度 即便在强烈地震下 节点也不应出现剪切 破坏和钢筋锚固滑移破坏 在反复荷载作用下 钢筋混凝土框架的梁柱节点受力极为 复杂 因此 要提高钢筋混凝土框架结构的抗震性能 保证充分发挥各个构件在抗震 中的强度和延性 首先就是要加强各个构件之间的连接 使之能满足强度和刚度要求 从而保证整个结构在地震作用时的整体性 图图 1 1 汶川地震时节点的典型破坏形式汶川地震时节点的典型破坏形式 框架节点通常被视为刚性 但对于某些工程而言 当遭遇中震或大震时 节点处 梁筋的粘结滑移及节点开裂或破坏就变得在所难免 这就不符合节点刚性的假定 这 样处理很显然会忽略节点自身的剪切特性 更不能模拟出节点的破坏 已有的试验及 震害说明 节点核心区的开裂甚至破坏对于结构整体的侧移和内力会产生很大的影响 节点变形包含两部分内容 1 由节点剪力导致的节点核心区的剪切变形 2 由于纵筋锚 固失效或者粘结刚度退化导致的梁筋粘结滑移变形 剪切变形和滑移变形都会使结构 耗能降低 结构整体位移增大 因而 在结构地震反应分析中 考虑节点变形是十分 重要的 梁柱节点作为梁柱交接区域 受力特点非常复杂 这就决定了对于节点的研究以 前大多数是利用实验方法 而很少使用数值模拟的方法 如今 利用模型化分析框架 节点的手段逐渐受到学术界的重视 很多学者提出了构建节点模型不同的模拟手段和 方法 但是最重要一点是 无论采用何种模型 都要反映出节点核心区的剪切变形和 纵筋滑移对整体框架结构的影响 这是判断计算模型是否适用的重要标准 1 2 国内外节点研究概况 1 6 10 钢筋混凝土框架梁柱节点在地震反应分析中是受力较为复杂的结构部位 从二十 世纪六十年代末到八十年代初 国内外学者第一次比较系统的完成了钢筋混凝土平面 框架节点的试验研究工作 虽然各国研究者选择的方法和侧重点不完全相同 试验中 变化参数的选取也有很大差别 但通过试验得出了关于节点抗震性能的结论 使得我 们对于组合体变形逐渐加大时 第一次感性的认识了钢筋混凝土框架梁柱节点的损伤 发育和失效方式 其中最具代表性的学者有美国 N W Hanson 和 S Fuji 等 新西兰 R Park T Paulay 和美国的 M J N Priestley 美国 J O Jirsa 和中国访问学者张连德 日 本学者青山博之以及中国胡庆昌等完成的试验研究 由于当时各国学者对设计规范中 节点设计条文制订时 对节点区传力机理和计算模型的定论存在较大差别 这使得各 国设计规范或设计条文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大 在二十世纪八十年代 由于美国 ACI 318 规范用 约束模型 按构造计算出的节 点配箍率明显偏小 而新西兰学者在没有考虑贯通节点梁 柱纵筋粘结滑移的情况下 用 桁架机构 和 斜压杆机构 的传力机制计算所得出的节点配箍率过大 为了协 调这些试验结论和设计方法上的差异 由日本的青山博之教授 新西兰的 T Paulay R Park 教授和美国的 J O Jirsa 教授共同倡议发起了钢筋混凝土框架梁柱节点抗震性能的 三国对比试验 在这个过程中 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加入了这一联合对比试验 并且四国学者共同制定了新 美 日 中四国对比试验方案 1990 年 联合试验结束后在檀香山召开了总结会 参加试验的 学者对各国试验结果进行了综合分析 最后的分析结果表明 在相同节点剪压比的条 件下 新西兰规范对配箍的要求过严 虽然节点抗震性能明显比其它三国要好 但配 箍量太过保守 美国和日本配箍率最小 但节点抗震能力仍能符合规范的要求 中国 配箍率比新西兰明显偏小 但比美 日略偏大 节点抗震性能同样较为满意 虽然这 次对比试验得到的最有价值收获是对抗震节点在所给定的条件下的合理配箍水准达成 了共同认识 但是各国规范始终坚持自己主张的传力模型 并没有专门提出研究核心 区传力的受力机理 对提高和改进人们对节点受力性能的认识并没有太大帮助 在这 次国际试验的推动下 再一次出现了节点抗震性能及设计方法研究的新高潮 此次试 验研究领域扩展到带现浇板的双向受力节点 偏置节点以及中间层端节点抗震性能受 轴压力影响等方面 但仍把中间层中节点和中间层端节点作为研究主体 与此同时 还进行了对贯穿节点核心区梁筋粘结性能的试验研究 这些研究发现了抗震框架节点 中存在的很多受力现象 改变了人们对节点受力性能中的许多传统认识 二十世纪九十年代初 国际著名学者 日本东京大学青山博之教授对这次联合对 比试验以及当时各国最新一轮节点性能研究成果进行了系统总结 发表了一系列论文 著作 他指出 这次联合对比试验是史无前例的 它由各国国家基金的大规模支持 并由此带动了各国学者在联合对比试验计划之外进行了大量的研究工作 使人们对抗 震框架梁柱节点的受力特征和各种因素对节点受力的影响规律有了更新更广泛的认识 使各国通过联合对比试验肯定了各自设计规范的有效部分 明确了以后需要进一步作 出改进的方法和内容 但非常遗憾的是 国际学术界未能对节点核心区的传力机理提 出具有说服力的 权威的分析模型 也未能在一个合理模型的基础上提出一种能更准 确反映梁柱节点在各种受力情况下受力特征的设计理论 由此表明 当时一些知名的 研究者已经认识到 上述新西兰规范和美国 ACI 352 委员会设计建议所提出的两种节 点受力模型只是从局部上反映出节点的受力特征 远没有达到全面说明节点在各种复 杂受力条件下的受力特点 二十世纪八十年代中后期 日本东京大学的北山和宏 小谷俊介和青山博之等学 者的试验研究得出 约束机制 的存在 在我国 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历年来许多试验研究成果 的基础上 全面分析了框架节点中的传力机理 并结合他们在节点试验研究中的成果 验证了除 斜压杆机制 和 桁架机制 外还存在 约束机制 4 5 7 的这一结论 约束机制 由节点核心区混凝土与约束核心区混凝土的箍筋相互作用而构成 约束 机制 虽然不直接参与节点剪力的传递 但它却是使节点的抗剪性能持续到最大 使 组合体达到更大变形时所不可或缺的一个重要前提条件 因此 它是保证节点核心区 抗震性能得到充分发挥的关键 1 3 节点剪切变形研究的目的和意义 在以往的很长时间里 由于条件所限以及人们对框架节点破坏的忽视 在各国设计 规范中并没有针对节点做出规定 因此 以前对节点的认识只处在初级阶段 大约自 六十年代以来 钢筋混凝土高层建筑发展很快 陆续出现了 20 层以上的钢筋混凝土框 架结构 或框 剪结构 广泛应用了高强混凝土和大直径的高强变形钢筋 材料强度 提高了 构件截面尺寸减小了 因而节点区的截面尺寸也就减小了 1 除此之外 梁 柱构件性能的研究也得到飞跃式进步 改善了构件的强度和延性 这样 框架结构的 薄弱环节就转移到梁柱节点区域了 根据文献 7 10 梁柱组合体试验中得出的组合体中梁 柱以及节点核心区各自的变形 曲线图 计算出各个构件变形所引起的组合体梁外端挠度占梁外端总挠度的比例 见表 1 1 所示 从表中可以看出 当剪压比偏大时 节点核心区剪切变形占梁外端位移的 百分比能达到 30 左右 最大的能达到 50 左右 由于框架节点是结构传力的枢纽 在地震作用下 框架节点承担着相当大的水平剪力 比柱子承担的剪力要大 4 6 倍 所 以产生的剪切破坏一般是脆性的 节点同时又是结构抗震相对薄弱的部位 节点的强 度 刚度和耗能能力也都会由于地震反复荷载的持续作用而逐渐降低 因此 节点应 具有足够的强度和必要的延性 近年来 国内外学者针对节点的这一特点已进行了一 系列抗震框架节点的试验研究 近二十多年来 各种计算软件用于结构计算越来越普遍 相对于梁 柱等构件的 计算软件而言 能用于节点核心区的强度计算软件则发展比较滞后 由此造成一直以 来计算软件把节点当做刚性体或者计算出的节点剪力较小 直到 2006 年 3 月 国内使 用较普遍的 PKPM 软件中才包含了梁柱节点核心区剪力值的较准确计算方法 而在以 往的结构设计中未对节点强度进行计算 忽略了节点核心区强度和变形 这使得结构 存在着严重的安全评估问题和鉴定问题 表表 1 1 节点剪变形节点剪变形 引起的梁外端挠度占梁外端总挠度的比例引起的梁外端挠度占梁外端总挠度的比例 7 10 延性系数 试件 名称 轴压比 ccc hbfN 剪压比 cccj hbfV 箍筋特 征值 cyvsv ff 1 2 3 4 5 J 10 050 1250 05610164142 J 20 360 1610 07212753 J 30 050 1300 047161282 J 50 050 1650 0881626622 J 60 360 2380 1271228526070 J 70 050 1970 1303240444548 J 80 250 2170 11928384045 J 90 050 1560 07418304036 J 100 250 1880 08822404446 J 120 250 2380 1231918203248 J 130 150 2670 1431520253238 J 150 150 3100 2131224373244 J 160 450 3100 1802120243632 目前 此类问题广泛存在于钢筋混凝土框架梁柱节点 包括节点区相对薄弱的钢 筋混凝土异形柱结构 要达到 大震不倒 的目标 其中最重要的手段是进行罕遇地 震下结构的弹塑性时程响应分析或静力弹塑性推覆 Pushover 分析 但就目前的计算 软件来看 很少考虑钢筋混凝土框架梁柱节点在罕遇地震下变形导致的强度退化甚至 破坏的因素 综上所述 钢筋混凝土框架梁柱节点核心区存在着节点变形 强度退化等问题 在一定程度上影响着整体结构的性能 因此 这就需要一种能综合考虑节点剪切变形 的节点模型 从而对整体结构的抗震性能进行更加有效的分析 1 4 目前节点研究存在的问题 1 10 从二十世纪七十年代到现在为止 很多的国内外专家学者进行了多次节点试验研 究 取得了不少研究成果 但依然面临如下一些需要研究和解决的问题 1 目前 在对于钢筋混凝土框架结构有限元分析和结构设计过程中 往往把节点 看作是刚性的而忽略了节点变形的影响 这就造成了分析结果准确性的大大降低 实 际上 在地震反复荷载作用下 当结构进入弹塑性变形阶段后 节点的变形会对整体 结构产生很大的影响 现在要考虑节点变形对整体结构的影响 主要采用的是梁端塑 性铰法 它的主要方法思想是对连接梁单元进行刚度修正 但是由于节点受力的复杂 性 此方法的分析结果存在较大误差 2 影响节点变形的因素有很多 利用现有的节点分析模型进行结构分析时 只是 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 例如假设节点的抗剪强 度满足要求 而忽略节点剪切变形的影响 但实际上节点内部的剪力增大到一定程度 会导致节点核心区出现剪切裂缝 造成节点强度的迅速下降和刚度的迅速退化 如不 加考虑会导致计算所得出的节点强度和刚度高于实际情况 这样会使结构不安全 同 时也使节点的剪切破坏被当作其它破坏形式来处理 因此我们需要详细地区分节点的 各类破坏形式与破坏特征 提出一种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 以便我们能得到比较准确的节点力与变形关系 1 5 本文研究的主要问题和所采用的方法 由于节点本身受力特征非常复杂 目前对框架结构进行地震反应分析时 往往把 节点看作是刚性的 在整个结构受力过程中认为节点核心区不会发生破坏 从而忽略 节点变形的影响 实际上 对于钢筋混凝土框架节点而言 当结构进入弹塑性变形阶 段时 节点变形的影响会很大 如果在设计中对节点强度和承载力不进行计算 在地 震作用下会导致结构的整体变形过大和结构的抗震性能降低 因此 在结构分析中必 须考虑节点的变形 通过以往的震害调查和试验结果分析不难发现 3 10 11 框架结构整体变形中由节 点变形所引起的部分占有相当的比例 绝对不容忽视 因此 节点的变形所产生的影 响要引起我们足够的重视 节点的变形主要由两部分组成 节点的剪切变形和梁纵筋 的粘结滑移变形 由于节点受力特点的复杂性和篇幅的限制 因此 本文在进行节点 抗剪机理分析时 主要考虑轴压比 剪压比和配箍特征值三个因素对节点剪切变形的 影响 本文首先对以上三种影响因素进行分析 然后采用有限单元法 在整体结构分析 中将节点作为节点单元来加以考虑 与以往的分析方法相比 采用节点单元法并不需 Comment U2 改为 已有研究资料 Comment U3 删去 要对连接梁单元刚度进行修正 只是独立对节点进行模拟分析 并可以实现把节点单 元引入目前使用的刚性节点框架分析程序中来考虑各种影响节点变形的因素 由于节 点受力的复杂性和条件所限 本文主要研究的是节点的剪切变形 至于节点钢筋的粘 结滑移变形所引起的节点变形未进行分析 当贯穿节点核心区的梁 柱纵筋直径占贯 穿长度的比例大于一定值 例如 1 20 时 粘结滑移变形可以通过增大节点核心区剪 切变形 或降低节点单元剪切刚度 的方法来近似考虑 本文在参考许多的试验研究及学术文献的基础上 建立了符合节点实际的节点剪 力 V 剪切角 之间的滞回关系曲线 对恢复力曲线的主要参数进行了分析和定 义 在此基础上借助 SAP2000 为分析平台 应用该软件非线性分析功能模块 对考虑 节点剪切变形的框架进行地震反应分析 根据有限元计算结果 得到了考虑节点剪切 变形框架的顶部时程曲线 并通过改变参数对影响节点剪切变形的因素进行深入分析 通过对考虑框架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 使其具有较高的工程应用 价值 第二章 框架节点抗剪机理 2 1 节点核心区剪力传递机制 4 10 框架梁柱节点核心区在开裂 通裂 极限和破坏四个阶段的受力破坏过程中 其 剪力的传递在目前的研究中主要存在着以下几种机制 斜压杆机制 桁架机制 约束 机制 组合块体机制和剪摩擦机制等 梁柱节点中的 桁架机制 和 斜压杆机制 模型 图 2 1 是在七十年代就由新 西兰的 T Paulay 和 R Park 提出 一方面 在梁端或柱端由于受到压力和拉力的共同 作用 贯穿节点的梁筋和柱筋把很大一部分力通过粘结效应以周边 剪流 shear flow 的 形式传入节点 此时节点核心区承受相应的主拉应力和主压应力的作用 使之形成了 典型的 纯剪 状态 由节点核心区混凝土来承担剪力场所形成的斜向主压应力 在 斜向主拉应力作用下 当核心区混凝土出现沿斜向裂缝后 主拉应力将会由核心区水 平箍筋和节点柱纵筋共同承担 由此形成了 桁架机制 truss mechanism 另一方面 由梁端和柱端受压区混凝土传递到节点边缘的压力 也有很大一部分在节点中转化成 斜向压力 由一定宽度的斜向核心区混凝土柱来承担 此现象所形成的机构称为 斜 压杆机制 美国 ACI 352 委员会主张的 约束模型 或称 柱模型 即认为可以把 节点核心区看作是柱子中剪力作用较大一段 因此 可以把节点按照柱端的做法 只 要使节点中的箍筋配置达到合理的用量 即 约束作用 达到一定的水准 就可以充 分发挥节点区的抗震性能 依据这种理论 美国 ACI 318 规范和 ACI 352 委员会提出 的设计方法不进行节点抗剪计算 而只从构造方面确定箍筋的配箍率 1 斜压杆机制 在核心区受力的弹性阶段 核心区沿对角线方向存在数条近似相互平行的主压应 力等值线 从而构成了对角压力区 这可说明斜压杆的存在 在这个阶段中 混凝土 并没有发生开裂 核心区中箍筋承受的力也很小 此时主要由混凝土来承担节点核心 区的剪力 即沿核心区对角线方向的压力 由虚拟的沿对角线方向的 混凝土斜压杆 来承担 这就是 混凝土斜压杆机制 当核心区没有配置箍筋或箍筋不发挥作用时 节点的承载力则由节点核心区混凝 土的承载力决定 这种情况发生在梁 柱承载力较小而节点核心区未出现严重破坏的 结构中 如图 2 1 a 所示 根据斜压杆机制 节点核心区抗剪强度值的计算式可取为 此即为混凝土斜压杆 抗压强度极限值的水平分量 2 cos8 0 j cc bfV 1 其中 0 8 考虑交叉裂缝影响的混凝土强度降低系数 柱截面的宽度 c b 斜压杆和水平线之间的夹角 斜压杆的等效计算宽度 CC Vc Vb Vb CC Vc a 斜压杆机制 斜压杆机制 b 桁架机制桁架机制 图图 2 1 节点受力机制节点受力机制 2 桁架机制 当柱端配有较密的的垂直钢筋并且节点核心区配有水平箍筋时 在反复荷载作用 下 当节点承担比较大的剪力时 核心区会出现多条斜裂缝 混凝土的斜压杆作用减 弱 绝大部分剪力可假设由一个虚拟的桁架机构来承担 如图 2 1 b 所示 节点上的剪 力分解成了与剪切裂缝平行的斜压力 水平拉力和垂直拉力 节点核心区的水平拉力 由水平箍筋承担 垂直拉力由柱的垂直纵筋和垂直箍筋承担 斜压力由斜裂缝组成的 混凝土柱 在箍筋约束下 承担 这种力的平衡机制称之为 桁架机制 按照这种机制 混凝土强度 柱轴力 水平箍筋和垂直箍筋是影响节点核心区抗剪强度的主要因素 此时 可把柱轴力的影响放在混凝土抗剪能力中加以体现 然后再由节点水平剪力求 出水平箍筋 由节点垂直剪力求出垂直箍筋的量 桁架机制形成原理是 在其它条件不变的情况下 核心区的主压应力值会随着柱 子轴压比的增大和斜压柱区域的不断扩大 其值也随之增大 发展到最后整个核心区 几乎都会受压 与此同时 核心区主拉应力迹线逐渐趋于平缓 且由主拉应力引起的 斜裂缝的发展方向也随之变动 最后在节点核心区对角线两端的主拉应力逐渐增大 核心区中部的主拉应力逐渐减小 因而 八字形的裂缝 可能首先出现在核心区的四 个角部 当作用于节点核心区的剪力值达到其抗剪极限值的 60 70 时 就会在核 心区产生很大的沿对角线方向的拉力和压力 此时 核心区混凝土出现沿对角线的贯 通裂缝 个别箍筋也会随着应力的突然增大而达到了屈服 从而导致节点的抗剪强度 显著下降 此时节点就进入通裂阶段 不断施加反复荷载直到梁中纵筋屈服时 节点 核心区的混凝土出现多条相互平行的沿对角线的通长裂缝 与此同时 核心区的水平 箍筋承担的剪力逐渐增大 箍筋会逐渐屈服 虽然斜压杆机制和桁架机制的传力原理比较明确 但对这两种传力机构在节点不 同受力阶段的定量界定还不是很清楚 重庆大学的傅建平等提出了 梁 柱简支杆模 型 利用这一模型可在已知节点周边梁 柱端正截面受力状况的前提下 确定梁端 为对称配筋或不对称配筋时 节点核心区以上两类传力机制分别分担的节点剪力的比 例 3 约束机制 近年来 国内外的一些学者认识到如果不考虑节点水平箍筋约束作用对核心区混 凝土受斜压所发挥的重要作用 就将无法揭示水平箍筋各肢的应变随应力增长的规律 因而 他们认为节点核心区除存在着斜压杆机构和桁架机制外 还存在着另一种不可 忽视的机制 约束机制 如图2 2 约束机制是由约束核心区混凝土的箍筋与被约束的核心区混凝土两者相互作用所 形成的结构 从20世纪80年代中后期开始 日本著名学者北山和宏 小谷俊介以及青 山博之等为了验证这种机构的存在 他们通过测定平行加载方向的节点箍筋的应变变 化规律 在试件设计中 他们将节点核心区两个方向的箍筋按单肢进行设置 最终得 出了试验结论 平行于加载方向的箍筋不仅要承担由桁架机构引起的拉力 又要承受 核心区混凝土由于斜向受压导致横向膨胀所引起的被动约束拉力 与加载方向垂直的 箍筋承受斜向受压混凝土横向膨胀产生的被动约束力 由此证明了约束机制的存在 约束机制虽然不直接参与节点抗剪 但却是自始至终存在的 是节点抗剪能力能够维 持到组合体更大变形而不至于立刻破坏所不可或缺的重要前提条件 也是保证接头区 充分发挥抗震性能的一种重要的节点受力机制 此后 在我国许多学者根据他们所做的梁柱组合体试验 并结合先前他人的节点 试验 也证实了约束机制的存在 并进一步丰富了该机制在节点抗剪各阶段的作用与 规律 并得出了相应的结论 约束机制虽然不直接参与传递节点剪力 但却是使节点 抗剪能力能够达到组合体更大变形而不至于立刻破坏所不可或缺的重要前提条件 另一类是在 J K Wight 教授主持下美国 ACI 352 委员会主张的 约束模型 或称 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 拉杆模型 如图 2 3 所示 因此 此种模型类似于柱端 只要保证节点配箍率 的合理 即约束混凝土的力达到一定水平 就可以保证节点区的抗震性能 根据这种 观点 美国 ACI 318 规范和 ACI 352 委员会提出的设计方法不进行节点抗剪计算 而 只从构造方面计算箍筋量 图图 2 2 约束机制约束机制 图图 2 3 斜压杆 拉杆模型斜压杆 拉杆模型 4 组合块体机制 我国框架节点专题组通过大量的试验研究认为 混凝土斜压杆机制 桁架机制分 别存在于节点核心区的弹性阶段和通裂阶段 而从开裂直至最后破坏这个阶段 其相 应的剪力由组合块体机制来传递 在低周反复荷载作用下 当节点核心区两边的梁纵筋进入屈服强化阶段后 核心 区纵筋产生滑移 此时核心区剪力一部分通过梁与节点核心区交界面混凝土裂缝闭合 后的局部挤压力来传递 继续增大反复荷载 核心区沿对角线方向的斜裂缝也随之增 大 且箍筋屈服使钢筋不断伸长 混凝土沿裂缝相互错动 使得裂缝不再能全部闭合 此时核心区混凝土被交叉出现的斜裂缝分割成许多的菱形块体 在横向箍筋 纵向箍 筋约束下以及轴压力共同作用下 形成了组合块体机制 如图2 4 核心区进入破裂阶 段 在此阶段 核心区斜压力由混凝土块体间受压裂缝上的骨料咬合作用来承受 箍 筋和柱纵筋除了承担斜拉力 在受拉裂缝上还利用销键作用来抵抗块体间的剪切滑移 试验表明 在破裂阶段 配箍合理的核心区组合块体机制有良好的承载能力 但节点 的刚度逐渐下降 残余变形增大 混凝土保护层也逐渐脱落 若再继续加载 节点变 形继续增大 混凝土块体由于被压碎而丧失咬合作用 节点核心区承载能力明显下降 最后导致节点破坏 图图 2 4 组合块体机制组合块体机制 5 剪摩擦机制 剪摩擦机制适用于核心区箍筋达到屈服 核心区混凝土发生剪切破坏 而梁纵筋 未屈服且未发生粘结滑移的情况 如图 2 5 所示 剪力增大使核心区出现沿对角线方向 的斜裂缝 斜裂缝将核心区分成两个区域 随着裂缝宽度的增大 两个区域会产生滑 动摩擦 此时与裂缝相交的水平箍筋所受拉力逐渐增大直至屈服 节点的所受的剪力 由两部分承担 一部分是由与裂缝相交的箍筋来承担 另一部分是在节点核心区的对 角处 由弯曲压力下所产生的混凝土摩擦力 即 2 sbo sh y sco b scj ah s A f ah M NVVV 2 cos7 0 2 其中 0 7 摩擦系数 N 柱轴压力 Mb 临近节点的梁端弯矩 hco 柱截面有效计算高度 hbo 梁截面有效高度 T V T V 图图 2 5 剪摩擦机制剪摩擦机制 2 2 钢筋混凝土框架节点剪切变形的影响因素 1 3 10 11 研究表明 13 节点核心区混凝土在斜向拉压力的作用下 造成了节点核心区形状 的斜向变位 引起了剪切变形 下面我们主要来分析一下影响节点核心区剪切变形的因素 其有以下几个 节点 几何尺寸 轴压比 剪压比 混凝土强度等级 节点配箍特征值 循环次数 本文主 要分析剪压比 轴压比 配箍特征值三个因素 1 剪压比 对节点剪切变形的影响 jjc j c bhf V f 其中 节点内剪力作用的大小 j V 节点核心区混凝土的抗压强度 c f 节点核心区混凝土的截面宽度和高度 jj hb 目前关于节点性能的试验一般是取组合体进行研究 所谓组合体是指节点核心区 和与其相连的梁端 柱端所组成的连接体 主要的实验结果是通过梁外伸端的挠度变 形来体现的 该挠度主要包括以下四部分的内容 节点核心区剪切变形所导致的梁段刚体转动产生梁端挠度变形 梁段自身的弯曲所导致的梁端挠度变形 梁段自身的剪切变形所导致的梁端挠度变形 柱段自身的弯曲和剪切变形所导致的梁端挠度变形 表表 2 1 剪压比对剪切变形的影响剪压比对剪切变形的影响 7 10 单位 度单位 度 延性系数 剪压比 c f 1 2 3 4 5 0 20 1760 510 660 871 32 0 20 2070 511 111 683 36 注 表 2 1 给出了剪压比小于 0 2 的试件的试验平均剪切变形和剪压比大于等于 0 2 的试件的试 验平均剪切变形 以此反映剪压比对剪切变形量的影响 对表 1 1 的数据进行分析 并结合文献 7 8 10 中的梁柱组合体试验的数据 见表 2 1 可以得出节点剪切变形所占梁外端总挠度变形比例的变化趋势 可总结为以下两 类情况 第一类是剪压比 偏小的试件 这类试件通常只有在位移延性系数达 jjc j bhf V 到较大数值时 节点核心区混凝土才有一定损伤 也就是说有一些试件在加载终止时 核心区混凝土的破坏也只是轻微的 在此类试件中 当 1 时 与上一种情况相似 梁外端总挠度主要是由梁段自身变形引起的 因为在这种试件中梁端会首先屈服 此 类情况剪压比很小使得节点核心区混凝土出现裂缝的时间比较晚 其次 梁纵筋的粘 结滑移破坏在反复荷载作用下的发展速度较快 而节点核心区的剪力流在周边的传递 速度较慢 因此在此种情况下桁架机构作用不明显 故核心区混凝土沿对角线方向的 交叉斜裂缝发展速度慢 因此 梁外端挠度始终是由梁筋滑移和塑性伸长在占主导地 位 在梁外端总挠度中所占比例一直处于上升的趋势 而由于节点核心区变形引起的 梁外端挠度在总变形中所占比例始终呈缓慢下降的趋势 第二类是剪压比 偏大的试件 在 1 时 由于梁端纵筋屈服 使得 jjc j bhf V 梁变形在梁端挠度中所占的比例最大 随着荷载循环次数的不断增加 节点核心区斜 向裂缝开始迅速发展 核心区混凝土被交叉斜裂缝逐渐分割开来 所以由核心区剪切 变形引起的梁端挠度呈快速上升的趋势 而此时梁由于弯曲所引起的裂缝则有闭合的 趋势 尽管贯穿节点的梁纵筋在节点中的滑移量逐渐增大 包含梁纵筋滑移和塑性伸 长在内的梁的变形所引起的梁端挠度逐渐上升 可是节点剪切变形的增长速度仍然高 于其在梁端总挠度变形中的比例的增长速度 所以在下面的位移延性系数下 节点区 剪切变形所占梁外端总挠度变形的比例在逐渐加大 而梁端总挠度变形中梁端自身变 形所占的比例在逐渐降低 在粘结退化还未发生的斜拉破坏控制阶段 当剪压比和轴压比都较大时 由桁架 机构在节点区产生的主拉应力降低 核心区混凝土出现斜裂缝的时间较晚并且发展很 慢 所以这对节点抗震性能的充分发挥是有利的 而在斜压破坏控制阶段 此阶段出 现在梁纵筋粘结退化后 斜压杆机构中沿对角线的斜压力将随轴压比的增大而增大 加快了节点核心区混凝土的破坏速度 这对节点抗震性能的充分发挥是不利的 当剪 压比偏大时 轴压比对节点剪切变形的影响可以分成以下两个阶 1 在初始加载阶段 轴压比较大会使节点开裂时间延迟 这有利于核心区中平行 于加载方向箍肢应变发展的降低 使其在以后的加载过程中有较大的储备用于约束机 构 较大的轴压比在初始加载阶段有利于减缓梁纵筋出现粘结滑移的速度 很好的改 善了梁筋的粘结性能 有利于梁端塑性铰的发展 有利于延性框架的耗能能力的发挥 因此对改善节点的抗震性能是有利的 2 在后期的加载阶段 轴压比较大会使节点核心区斜压杆压应力大大增加 因此 加快了节点区的破坏 核心区箍筋由于混凝土的损伤而产生的约束作用带来的有利影 响也将大大被抵消 综而言之 这对节点抗震性能的影响是不利的 因此 当剪压比 偏大时 对于节点的设计最好不考虑由轴压比带来的对节点剪切变形的有利影响 2 轴压比 n 对剪切变形的影响 ccc hbf N 根据文献 9 10 对梁柱组合体试验所得出的节点分析结果 见表 2 2 和表 2 3 进 行汇总 从表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 表表 2 2 当剪压比当剪压比时轴压比对节点剪切变形时轴压比对节点剪切变形 的影响 单位的影响 单位 度度2 0 c f 延性系数 轴压比 n 1 2 3 4 5 0 20 190 530 690 782 6 0 20 120 470 67 表表 2 3 当剪压比当剪压比时轴压比对节点剪切变形时轴压比对节点剪切变形 的影响 单位的影响 单位 度度2 0 c f 延性系数 轴压比 n 1 2 3 4 5 0 20 160 490 981 352 5 0 20 230 511 171 852 61 1 剪压比较小时 如果轴压比较大 在加载后期梁纵筋出现严重的粘结退化 受压区混凝土应力增大 但是由桁架机构转移到斜压杆机构的水平剪力很小 节点所 承受的剪力作用也很小 因此 当核心区混凝土的主压应力随着轴压比的加大而进一 步增大时 沿对角线的斜向压应力仍不会使核心区混凝土达到压碎的程度 如果轴压 比较小 由于梁纵筋粘结力较低 剪力作用也相对较小 核心区混凝土一般不会发生 破坏 组合体只会因梁筋贯穿段发生过大的塑性变形和滑移而导致组合体后期的刚度 和耗能能力变得相当差 因此 适当的轴压比 有利于提高组合体的抗震性能 轴压 比对节点剪切变形的影响是有利的 1 剪压比中等或中等偏大时 此类试件在中等轴压比的作用下 梁纵筋粘结退 化发展较慢 核心区内斜裂缝出现时间较晚 因此节点进入通裂阶段的时间也较晚 这对提高节点抗震性能是有利的 节点一旦进入通裂阶段 此时节点本身所承担的剪 力已经很大 斜压杆机构中的压力也已经很大 而轴压力的增大又会进一步增大斜压 杆机构中的压力 这就大大增大了核心区混凝土提前发生斜压破坏的可能性 这很明 显不利于节点抗震性能的发挥 此时 节点斜压杆机构中的压应力已经很大 若轴压 比继续增大 斜压杆机构中的主压应力就随之再加大 使节点