梁-墙平面内偏心连接节点梁纵筋锚固性能分析.doc

- 4 -梁-墙平面内偏心连接节点梁纵筋锚固性能分析柏洁1 柏果2(1.贵州大学土木建筑工程学院，贵阳市，550003 2.贵州省电力设计研究院，贵阳市，550002)摘要: 在前期试验研究基础上，根据梁墙平面内偏心连接节点非线性有限元分析，详细分析了此类节点梁纵筋的锚固性能，分析结果表明：梁-墙平面内偏心连接节点偏心一侧梁纵筋锚固性能低于不偏心一侧，节点宏观受力和梁纵筋局部锚固环境是影响节点纵筋锚固性能的关键因素，应通过合理设计保证梁纵筋锚固性能以满足节点传力要求。关键词: 梁-墙平面内偏心连接节点；纵筋；锚固性能；有限元分析Anchorage Performance Analysis of Longitudinal Reinforcement in the Eccentric In-plane Beam-wall JointBAI Jie, BAI Guo(1.College of Civil and Architecture Engineering, Guizhou University, Guiyang 550003, China 2. Guizhou Electric Power Design Institute, Guiyang 550002, China )Abstract: On the basis of previous experimental research, combined with the nonlinear finite element parametric analyses, the anchorage performance of longitudinal reinforcement in the eccentric in-plane beam-wall joint was analyzed. Analysis results show that: the anchorage performance of longitudinal reinforcement in the eccentric side of beam is worse than those in the non-eccentric side. In addition, the macroscopic mechanical behavior and anchorage environment are two key factors influencing on anchorage performance of longitudinal reinforcement, and the anchorage performance can meet the requirement of force transmission by using reasonable design. Key words: eccentric in-plane beam-wall joint; longitudinal reinforcement; anchorage performance; finite element analysis0 引言钢筋混凝土梁-墙平面内连接节点是框架剪力墙和框架核心筒结构中的常见节点形式，当梁宽大于墙厚，且梁凸出于墙肢一侧时即形成梁墙平面内偏心连接节点（图1），此时，位于墙外的偏心一侧梁纵筋锚固传力条件较墙厚与梁宽相等时复杂，因此，此类节点的偏心一侧梁纵筋锚固性能是控制节点传力机理和受力性能的关键因素。针对梁墙平面内偏心连接节点，文献1在对梁纵筋采用直锚的节点进行试验中发现，即使梁伸入墙肢长度大于混凝土结构设计规范2规定的锚固长度，偏心一侧梁纵筋仍然会产生明显的粘结滑移，节点的承载力和延性均低于梁宽等于墙厚的不偏心节点。针对梁纵筋采用弯锚的节点，笔者前期进行了6个试件的试验研究3、4，研究结果表明，梁纵向钢筋采取直角弯折的锚固措施和加大墙肢内梁配箍率都可以起到改善节点受力和延性的作用，但弯锚措施综合效果更好。为进一步深入研究梁墙平面内偏心连接节点的传力机理，本文基于非线性有限元分析，研究了采用弯锚措施的此类节点偏心一侧梁纵筋在受力过程中的应力分布情况以及梁纵筋位置对锚固性能的影响。图1 梁墙平面内偏心连接节点Fig.1 The eccentric in-plane beam-wall joint1 非线性有限元分析通过前期试验研究发现，在偏心节点中梁纵筋的位置对其锚固条件和传力能力影响十分明显，梁纵筋越靠偏心一侧，锚固性能越差，相同锚固长度条件下，其粘结退化越严重。为验证梁纵筋位置对其锚固性能影响以及锚固性能的主要影响因素，采用两个模型J-A和J-B进行非线性有限元分析，均以试验试件J-6为基本模型，墙长、墙高和截面厚度分别为1200mm、1500mm和150mm，梁截面为300500mm，梁长1200mm，梁伸入墙内长度600mm，梁上部四根纵筋由不偏心一侧至偏心一侧依次编号为14，其中1、2号钢筋位于墙肢内不偏心一侧，3、4号钢筋位于墙肢外偏心一侧，模型J-A将3号和4号梁纵筋全部放置在4号梁纵筋处，即偏心一侧最外侧处，而模型J-B则将3号和4号梁纵筋全部放置在3号梁纵筋处，即偏心一侧靠近墙肢处，根据两个模型的分析结果可比较梁纵筋位置对节点受力及锚固性能的影响。非线性分析采用有限元程序ABAQUS5。图2 钢筋布置图Fig. 2 Reinforcement arrangement diagram图 3 混凝土网格划分图Fig. 3 Mesh division of concrete1.1 有限元模型混凝土和钢筋分别采用solid单元和truss单元，将钢筋单元嵌入到混凝土单元中，图2和图3分别给出了有限元模型的钢筋布置图和混凝土网格划分图。通过修正的钢筋和混凝土本构关系考虑钢筋与混凝土界面粘结滑移作用对试件宏观受力性能的影响6，模型中混凝土采用塑性损伤模型7。模型边界条件同试验，墙下端固结，上端为自由端；墙顶施加轴压比为0.1的压应力，梁端施加向下沿y方向正向的单调荷载。1.2 承载力曲线图4为分析模型J-A和J-B梁端荷载P位移曲线，由图可见，将偏心一侧梁纵筋全部设置在靠墙肢位置的模型J-B承载能力明显高于设置在最外侧处模型J-A。从节点偏心一侧梁纵筋传力来看，由于模型J-B将偏心一侧梁纵筋均放置在靠近墙肢的位置，梁纵筋向节点内的传力更加直接，此外，施加在墙上的轴压力和墙肢本身对钢筋有一定的约束作用，有利于其锚固粘结，偏心一侧梁纵筋能够有效发挥其材料强度，从而节点传力能力得到一定程度的保证，节点承载能力能够相应提高。图4 梁端承载力位移曲线Fig. 4 P-curves of beam1.3 混凝土损伤分布图5为极限荷载时混凝土受拉损伤因子分布云图，对比发现，将偏心一侧梁纵筋全部设置在靠墙肢位置的模型J-B中，偏心一侧节点处裂缝较少，墙上混凝土损伤较模型J-A明显，除位于梁端部以上墙体的数条竖向裂缝外，在墙下部还出现了水平裂缝，说明梁纵筋向墙内的传力较模型J-A充分，节点的整体受力性能较好；将偏心一侧梁纵筋全部设置在偏心一侧最外侧后，模型J-A中偏心一侧节点区域出现了严重的混凝土损伤，除产生了劈裂裂缝外，梁端部区域也出现了较为明显的混凝土损伤，说明偏心一侧梁纵筋位置越靠外侧其在受力过程中的锚固环境越差，纵筋的锚固粘结失效导致节点传力机构的破坏，是节点受力性能的控制条件。(a) J-A (b) J-B图5 混凝土损伤分布Fig.5 Damage factor distribution of concrete1.4 偏心一侧梁纵筋应力分布为了更加直观地对比梁纵筋位置对其锚固性能和传力的影响，图6给出了两个模型中偏心一侧4号梁纵筋在屈服荷载和极限荷载时的应力分布情况，图中纵坐标为钢筋应力与其屈服强度的比值，通过对比发现，模型J-B中4号纵筋应力值明显大于模型J-A，基本接近屈服强度，说明偏心一侧梁纵筋越靠近墙肢，其锚固条件越好，钢筋有效发挥材料强度，对节点传力越有利；模型J-A中偏心一侧梁纵筋远离墙肢，应力值在极限荷载时不足0.8倍的屈服强度，在受力过程中粘结退化较靠近墙肢的钢筋明显，锚固性能差，传力能力减弱。图7给出了屈服荷载和极限荷载时模型J-A和J-B中节点内梁箍筋在偏心一侧上侧面、下侧面上水平肢和正侧面上竖直肢应力最大值分布，由节点内梁端部向墙梁交界处箍筋编号依次为16号，由图可见，模型J-A中节点内梁箍筋应力值在一定程度上大于模型J-B，这是由于将偏心一侧梁纵筋全部放置在偏心最外侧4号纵筋位置处时，偏心一侧梁纵筋向节点内的传力途径更加复杂，需要由梁箍筋参与传力的部分增大，导致位于节点内的梁箍筋应力增加，此外，随着节点处由于宏观受力和局部传力作用产生的受剪斜裂缝、扭转裂缝和纵筋劈裂裂缝的发展，节点内梁箍筋承担了更多的拉力，因此，箍筋应力明显增大。(b) 极限荷载图6 偏心一侧4号梁纵筋应力分布对比Fig.6 Stress distribution of 4# longitudinal bars in eccentric side(a) 屈服荷载a)上侧面 b）正侧面 b) 下侧面图 7 极限荷载时偏心一侧梁箍筋应力最大值分布Fig.7 Maximum stress distribution of beam stirrup in eccentric side under ultimate load2 节点梁纵筋锚固性能差异的影响因素2.1 节点宏观受力的影响通过前期研究已经发现，对梁-墙平面内偏心连接节点而言，节点内偏心一侧梁越远离墙的部位其翘曲趋势越明显，节点处偏心一侧梁翘曲趋势及墙对梁翘曲的约束作用，使得节点处梁与墙侧交界面上存在由梁端荷载引起的扭转作用，根据节点处剪应力方向，扭转裂缝的发展趋势大致如图8a）中a和b裂缝所示。此外，沿墙厚（梁宽）方向的变形不均匀性也体现了节点处存在的另一种与扭转同时存在受力情况，即由于梁端荷载的偏心作用在节点上产生的弯剪作用，类似柱牛腿的受力状态。由弯剪作用产生的节点裂缝类似图8b）中c和d裂缝。因此，由于在梁-墙平面内偏心连接节点中必然存在宏观扭转和弯剪作用，在节点内产生的上述裂缝沿梁纵筋锚固长度方向导致混凝土损伤，从而降低钢筋与混凝土之间的有效粘结作用，在一定程度上将削弱偏心一侧梁纵筋的锚固性能，影响节点的有效传力。当宏观作用较大、节点宏观抗力不满足要求时，在节点区出现过多的扭转或剪切斜裂缝，甚至混凝土严重损伤，对偏心一侧梁纵筋的锚固最不利，相反地，若节点伸入墙肢长度以及粱墙偏心距均满足宏观受力要求，减少宏观裂缝的产生，则能够有效提高偏心一侧梁纵筋锚固性能。(a) 扭转裂缝 (b) 弯剪裂缝图8 宏观作用产生的裂缝Fig.8 macroscopic cracks of joint2.2 节点局部锚固环境的影响由试验和有限元分析中的节点裂缝发展可知，受力过程中节点不偏心一侧没有出现劈裂裂缝，这是由于不偏心一侧梁纵筋在墙上轴压力及墙肢本身作用下，能够有效增加钢筋与混凝土之间的粘结作用，提高梁纵筋的锚固性能，纵筋拉力能够有效地传入墙肢内；而位于剪力墙外的偏心一侧梁纵筋，越远离墙肢，由墙肢提供的约束作用越小，锚固环境越不利。综上所述，梁-墙平面内偏心连接节点纵筋锚固性能是由节点宏观受力和梁纵筋局部锚固环境共同决定的，对比梁-墙平面内偏心连接节点中偏心一侧和不偏心一侧梁纵筋锚固条件可见，在相同锚固长度情况下，不偏心一侧不承担宏观扭转和弯剪作用，且墙上轴压力作用对不偏心一侧混凝土的约束作用还将增强梁纵筋的锚固性能；而偏心一侧受宏观扭转和弯剪作用影响，且基本无锚固约束，从而导致偏心一侧梁纵筋锚固性能远低于不偏心一侧梁纵筋。3 结论通过试验和有限元对比分析，得到以下主要结论：(1) 梁-墙平面内偏心连接节点纵筋锚固性能由节点宏观受力和梁纵筋局部锚固环境共同决定。(2) 梁-墙平面内偏心连接节点中偏心一侧梁纵筋受宏观扭转和弯剪作用影响，且基本无锚固约束，其锚固性能低于无节点宏观作用且墙肢充分提供锚固约束的不偏心一侧梁纵筋。(3) 针对梁-墙平面内偏心连接节点设计，应同时满足节点宏观受力及梁纵筋传力要求，提高此类节点的梁纵筋锚固性能，从而保证节点的有效传力。参考文献1 黄 璐,王志军,李平昌,白绍良. 梁-薄墙肢梁筋直锚节点试验J. 重庆大学学报, 2005, Vol.28(2):114-118.2 中华人民共和国国家标准GB50010-2002.混凝土结构设计规范.北京.中国建筑工业出版社.2002.3 王志军,柏洁,白绍良.钢筋混凝土梁-薄墙平面内偏心连接节点试验研究J.工业建筑.2010,Vol.40(1):39-45.4 王志军,柏洁,白绍良.梁-薄墙平面内偏心连接节点传力模型和设计方法J.工业建筑.2010,Vol.40(3):60-65