混凝土框架节点抗震能研究综述.doc

收稿日期：作者简介：葛潇(1981)，男，助理工程师，上海市政工程设计研究总院，上海，200092 张华(1974)，男，工程师，中交三航局第二工程有限公司，上海，200115混凝土框架节点抗震性能研究综述葛潇 张华摘要：介绍了各国对混凝土框架节点抗震性能研究现状，重点阐述了框架节点的受力机理，并对现行各国规范关于框架节点的抗震设计控制体系进行了分类。关键词：框架节点；受力机理；抗震性能 中图分类号：TU323 文献标识码：AResearch on the Seismic Performance of Concrete Frame JointsGe Xiao Zhang HuaAbstract: The study situation of the seismic performance of concrete frame joints is introduced. And the bearing mechanism of concrete frame joints is intensively analyzed. Also, the seismic design systems of concrete frame joints in each nation codes are classfied.Key words: concrete frame joints; bearing mechanism; seismic performance框架节点受力复杂，施工也较困难，是建筑结构的关键部位。震害和研究表明，框架节点是结构抗震的薄弱环节。这是因为在地震作用下，框架节点承受很大的水平剪力，往往会产生剪切脆性破坏。另外，在反复荷载的作用下，钢筋粘结力退化，易发生钢筋锚固破坏，从而大大降低节点的强度、刚度和耗能能力。因此，梁柱节点的抗震设计是钢筋混凝土框架结构抗震设计的重要内容。1 框架节点抗震性能研究进展 自20世纪60年代开始，美国、日本、新西兰、中国等国都陆续对框架节点在地震作用下的受力性能进行了深入的研究，重点对如何改善节点的构造和延性进行了探讨，并对节点抗剪承载力的计算方法提出了许多设计建议。20世纪60年代初，美国波兰特水泥协会进行了第一批框架节点试验，1967年Hanson和Conner发表了这次试验结果，这次试验后来成为节点研究的标准文献。两位学者认为框架节点的抗剪强度能用钢筋混凝土梁的抗剪方程计算。在大量试验的基础上，美国1在ACI 318-71规范中首次提出了节点的设计规定。1976年美国ACI-ASCE-352委员会单独提出现浇框架节点的设计建议。1985年ACI-ASCE-352委员会又对1976年的框架节点设计建议作了较大的修改。后来，ACI 318-95再次对节点的设计有新的修改。日本对RC框架节点的研究始于1936年二见秀雄博士的L形节点的试验研究。之后进行了大量的中柱节点试验研究。但是到目前为止，在日本的钢筋混凝土规范中，还没有关于混凝土节点的设计公式。自1971年以来，新西兰2对节点的研究进行了卓有成效的工作。1976年由R.Park和T.Paulay 所著的钢筋混凝土结构一书中对框架节点进行了相当详细论述。1982年新西兰标准协会颁布了混凝土结构设计规程(NZS 3101)，将框架节点的设计专门列为一章，详细地规定了设计计算方法和构造措施。在我国，从1974年开始有组织地在全国范围内进行节点的试验研究工作。在中国建筑科学研究院的组织下，由北京市建筑设计院、东南大学、西安冶金建筑学院等23个单位成立了框架节点专题研究组，先后对12种类型节点受力性能进行了系统研究。一部分成果反映在混凝土结构设计规范(GB 50010-2002)和建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)中。从1990年至今，同济大学、清华大学、东南大学、西安建筑科技大学、合肥工业大学、北京市建筑设计院等单位先后进行了多种框架节点的抗震性能研究。这些研究成果部分反映在建筑抗震设计规范(GBJ50011-2001)中。在80年代，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核心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。当时形成了以新西兰和美国为代表的两种截然不同的节点传力模型3。一类是新西兰的“桁架机构”加“斜压杆机构”模型，应该说，这种模型并非新西兰学者的独创，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柱段。根据这种观点，美国ACI 318规范和ACI 352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。2 框架节点受力机理2.1 节点的破坏过程4混凝土框架节点在水平荷载作用下的受力如图1所示。在水平荷载作用下，框架节点上、下柱端以及左、右两侧梁端作用的弯矩符号都相反。框架节点核心区承受较大的水平剪力与竖向剪力的共同作用，核心区容易产生剪切破坏。图1 节点受力示意图在水平荷载作用下，框架节点核心区受到斜向压力和与之正交的斜向拉力的协同作用，当斜向拉力超过混凝土抗拉强度时，产生斜裂缝。水平荷载反向作用时，会在另一方向产生斜裂缝，从而形成交叉斜裂缝，核心区混凝土的承载能力和刚度逐渐降低。梁纵向钢筋在节点的一侧受压，另一侧受拉，通过框架节点后纵筋应力的这一变化梯度在节点核心区产生了很高的粘结应力。随着弯矩的增加，框架节点核心区混凝土产生较宽的裂缝乃至破碎剥落，粘结力逐渐丧失，钢筋产生滑移。梁筋的屈服逐渐渗入核心区，当节点受压区的粘结力完全丧失时，梁筋发生粘结锚固破坏，梁相对柱产生较大转动，形成塑性铰，框架节点刚度急剧降低，由此产生过度的侧向位移并引起柱抗弯承载力的相应降低。在正常配筋的情况下，框架节点核心区的受力过程，通常经历以下四个阶段：1、初裂：当水平加载使核心区出现第一条斜裂缝时，核心区水平箍筋应力很小，框架节点基本处于弹性工作阶段，剪力主要由核心区混凝土承担；2、通裂：核心区对角线出现主斜裂缝，水平箍筋应力增长很快，中部箍筋大多屈服，框架节点刚度显著降低，进入弹塑性阶段；3、极限：核心区的剪切变形成倍增长，混凝土保护层开始剥落，水平箍筋几乎全部屈服，抗剪承载力达到最大值；4、破坏：核心区混凝土大块剥落，变形急剧增加，承载力下降，混凝土压碎。2.2 节点的抗剪机理目前，对于钢筋混凝土节点较通用的受力机理主要有以下三种5 6： (a) 斜压杆机理 (b) 剪摩擦机理(c) 桁架机理图2 钢筋混凝土节点的宏观传力模型（1）斜压杆机理当节点核心区没有箍筋或箍筋很少时，节点核心区的抗剪承载能力主要由核心区混凝土所控制。在节点核心区开裂以前，核心区沿对角线方向有一条潜在的斜压杆存在，且随着节点上相对荷载的变化，斜压杆的倾角和宽度也随之改变。节点核心区开裂以后，在两条斜裂缝之间也形成了一个斜压杆（见图2a）。最后，斜压杆的混凝土破坏，节点也就达到了极限强度。这种模式适用于梁或柱承载能力较低而节点核心区未受到严重破坏的情况。（2）剪摩擦机理该模式适用于节点核心区混凝土受剪破坏、水平箍筋屈服而梁筋尚未屈服、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，将节点核心区分为两大块，在两大块之间产生滑动摩擦（见图2b）。与裂缝相交的水平箍筋均受拉屈服。节点核心区的抗剪能力则由以下两部分组成：一部分是穿越裂缝的箍筋受拉屈服所承担的剪力，另一部分是核心区的对角线处在弯曲压力下所产生的混凝土摩擦力。（3）桁架模型当节点核心区既有水平箍筋又有较密的垂直钢筋时，核心区就如同一只网状笼子。在反复荷载作用下，节点核心区承受很大的剪力，核心区产生很多条剪切裂缝，混凝土斜压杆的作用降低，大部分剪力由一个桁架机制来承担。如图2(c)所示，在节点的断面上的剪力可以被分解成平行于剪力裂缝的斜压力Cc和一个水平拉力Vch及一个垂直拉力Vsh。此时，可以设想：由水平箍筋（以及预应力筋）承担水平拉力，由垂直钢筋（包括中间柱筋）和柱轴向力承担垂直拉力，由斜裂缝之间的混凝土（在箍筋的约束下）承担斜压力，组成平衡体系，形成桁架机理。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、水平箍筋和垂直钢筋所控制。此时，可将柱轴向力的影响反映在混凝土抗剪能力中。然后分别由节点核心区水平剪力求出水平箍筋，由节点核心区垂直剪力求出垂直剪力钢筋的需要量。3 现行规范关于框架节点的抗震设计控制体系目前世界上的几个主要地震多发国家均根据各自的试验研究成果以及工程传统经验提出了相应的抗震节点设计控制条件。但由于各国学者对节点的传力机理存在着不尽相同的看法，故其设计标准中的节点设计控制条件存在一定的差异。根据各国抗震节点的设计思路和具体控制条件，可将各国节点设计控制体系分为两大类3。第一类强调节点中所需的箍筋用量与节点作用剪力的大小有关，即需要根据节点中的作用剪力通过抗剪公式计算节点的箍筋用量。它的控制体系主要由四个控制条件组成，即： 节点抗剪承载力计算公式； 节点最大作用剪力控制条件； 节点最小配箍量控制条件（如图2.7(a)所示）； 贯穿节点梁柱纵筋的直径限制条件。采用这类控制体系的有代表性的规范有：我国混凝土结构设计规范（GB500102002）和建筑抗震设计规范（GB500112002）、新西兰Concrete Structures Standard、The Design of Concrete Structures以及欧洲共同体Eurocode8：Design Provisions for Earthquake Resistance of Structures，1998-1-3 (1995)。图3 前国际上采取的两大类节点设计控制体系第二类控制体系则强调只需对节点中的最大剪压比进行控制，并按最小配箍量控制条件确定箍筋用量。即其控制体系仅由上述、三个控制条件组成（图2.7(b)）。美国ACI Building Code Requirments for Structure Concrete (318-99)以及ACI 352委员会Recommendations for Design of Beam-Column Joints in Monolitic Reinforced Concrete Structures (1991)和日本AIJ Design Guidelines for Earthquake Resistant Concrete Buildings Based on Ultimate Strength Concept (1990)采用该类控制体系。由于第二类控制体系舍去了“节点抗剪承载力计算公式”，因此要在中等和高剪压比条件下达到与第一类控制体系相同的对节点抗震性能的控制效果，就需要把“最大剪压比控制条件”和“最小配箍量控制条件”都取得比第一类控制体系更严一些。参考文献 1Building Code Requirements for Structure Concrete(318-99) and Commentary (ACI318-99 and ACI318R-99). Farmingtion Hills, Michigan 48333-9094: American Concrete Institute2戴瑞同.关于新西兰规范中有关节点设计的两个问题的讨论.全国第九届混凝土结构节点与连接学术会议论文集.1991年6月，成都：150-1583傅剑平.钢筋混凝土框架节点抗震性能设计方法研究：博士学位论文 .重庆：重庆大学土木工程学院，20024李斌.无粘结预应力混凝土扁梁框架节点抗震性能研究：硕士学位论文.福建福州：福州大学土木工程学院，20025T.Paulay, R.Park , M.J.N.Priestley. Reinforced Concrete Be