考虑节点剪切变形影响的钢筋混凝土框架地震反应分析论文

1、考虑节点剪切变形影响的钢筋混凝土框架地震反应分析RC框架的地震响应研究考虑联合剪切变形摘要当结构处于弹性应力状态时，节点剪切变形引起的变形在框架结构整体变形中所占比例很小，但当框架结构在地震作用下进入弹塑性状态时, 节点变形引起的变形 结构整体变形中不能忽略比重，特别是未经抗剪强度校核或承受较大剪压比的节点。框架节点的变形主要是由节点的剪切变形和梁纵筋的滑移引起的拐角。但本文主要考虑节点剪切变形的影响，可以通过修改本节节点模型的剪切刚度来考虑节点滑移的影响。目前，在钢筋混凝土结构的抗震分析计算中，一般都假设节点是刚性的。事实上，完全刚性的节点是不存在的，尤其是在罕见地震作用下的框架结构。因此，

2、在钢筋混凝土框架结构的地震反应分析中，考虑节点剪切变形的影响是非常重要的。基于Clough双线性恢复力模型和Takeda刚度退化三线性模型的基本理论，本文提出了符合节点剪切机制的节点剪切力与剪切变形之间的三线性滞后曲线模型。压力比、轴压比和环箍特征值三个因素对节点的剪切变形有影响，给出了各阶段节点剪切刚度的计算公式。根据以上节点元模型分析，利用SAP2000有限元分析软件对给定框架进行弹塑性时程分析，得到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和变形的三线恢复力模型和节点参数计算公式，并将其应用于第4章节点弹簧的定义中。(2)首次尝试将这种节点

3、“宏观模型”应用于整体车架，提出了“宏观模型”中弹簧轴向刚度的计算方法。(3) 采用有限元软件SAP2000对考虑节点剪切变形和无节点剪切变形的两个框架进行动力学分析。通过改变输入地震加速度和节点单元参数，最终得到各种条件下的计算结果。 .经过对比分析可以看出，软件的计算结果与上述影响节点剪切变形的因素的规律基本一致，证明了本文提出的模型元素的合理性和有效性。(4) 节点剪切变形对整体框架的影响与地震作用的大小有关，随着地震作用的增大而增大。关键词：梁柱节点，宏观模型，滞后曲线，剪切变形，半刚性，时程分析将该行合并到上一页将该行合并到上一页摘 要剪切变形引起的变形在弹性状态下占结构总变形的比例

4、很小，而在弹塑性状态下则占很大比例，特别是对于没有进行地震剪切校核的节点变形或承受剪切力与混凝土压缩力的高比值。梁柱节点变形包括纵筋通过节点的剪切变形和滑移。但本文主要考虑剪切变形，当纵向钢筋的影响很重要时，仅通过修改节点剪切单元的刚性矩阵来考虑纵向钢筋通过节点的滑移。目前，在对节点的地震剪力进行分析计算时，一般认为节点是刚性的。事实上，绝对刚性关节是不可能的；特别是当关节承受地震力的影响时。因此，考虑节点剪切变形对结构的影响非常重要。本文在Tekeda和Clough模型的基础上，建立了节理剪力与节理剪力变形之间的弹性模型。节理剪力模型中考虑了轴压比、剪压比和环箍配筋率四个因素。变形，建立了关

5、节剪切变形各阶段刚性矩阵的计算公式。针对上述节点单元弹性模型，本文采用SAP2000有限元分析软件对框架结构进行非线性静力时程分析，最后得到顶面位移和层间漂移角。(1)本文建立了关节剪切力与关节剪切变形之间的弹性模型和关节参数的计算公式，并应用于第四章关节弹簧的定义。(2) 首次尝试将这种联合“宏观模型”应用于整体框架。本页提出了该“宏观模型”中弹簧轴向刚度的计算方法。(3) 采用SAP2000软件对节理剪切变形和无节理变形两种框架结构进行时程分析。通过改变最大地震加速度参数和关节参数得到计算结果。对比分析表明，软件计算结果与上述各因素联合剪切变形规律基本一致。(4)节点剪切变形对整体框架的影

6、响取决于抗震等级。效果会随着地震的增加而增加。关键词:梁柱节点, 宏观模型, 回弹曲线, 剪切变形, 半刚性, 时程分析目录 TOC o 1-3 u 第 1 章 引言 PAGEREF _Toc294718294 h 11.1节点销毁概述 PAGEREF _Toc294718295 h 11.2国外节点研究综述1610 PAGEREF _Toc294718296 h 21.3节点剪切变形研究的目的和意义 PAGEREF _Toc294718297 h 41.4当前节点研究存在的问题110 PAGEREF _Toc294718298 h 51.5本文研究的主要问题及采用的方法 PAGEREF _T

7、oc294718299 h 6第 2 章 框架节点的剪切机理 PAGEREF _Toc294718300 h 82.1节点核心区剪力传递机制410 PAGEREF _Toc294718301 h 82.2钢筋混凝土框架节点剪切变形影响因素131011 PAGEREF _Toc294718302 h 132.3节点核心区机械性能及失效过程13411 PAGEREF _Toc294718303 h 182.4节点剪切失效模式和失效模式510 PAGEREF _Toc294718304 h 192.4.1节点故障模式 PAGEREF _Toc294718305 h 192.4.2节点应力特性及剪切破

8、坏形式 PAGEREF _Toc294718306 h 232.4.3接头的强度和延展性要求 PAGEREF _Toc294718307 h 24第 3 章 节点核心区的剪切变形 PAGEREF _Toc294718308 h 263.1框架接头受力1011 PAGEREF _Toc294718309 h 263.2节点剪切变形111 PAGEREF _Toc294718310 h 273.3现有节点模型分析1822262834 PAGEREF _Toc294718311 h 293.4本文节点恢复力模型30262328 PAGEREF _Toc294718312 h 323.4.1本文建立的

9、节点弹性模型 PAGEREF _Toc294718313 h 323.4.2节点V-恢复力模型在本文中的假设9 PAGEREF _Toc294718314 h 323.4.3节点模型参数10111221242938 PAGEREF _Toc294718315 h 34第 4 章考虑节点剪切变形的整体框架分析 PAGEREF _Toc294718316 h 404.1本文节点核心区剪切变形解析模型 PAGEREF _Toc294718317 h 404.2 SAP2000有限元分析软件介绍 PAGEREF _Toc294718318 h 434.3半刚性混凝土框架动力非线性分析（时程分析法） P

10、AGEREF _Toc294718319 h 434.4建模及相关问题 PAGEREF _Toc294718320 h 444.4.1弹簧迟滞模型定义 PAGEREF _Toc294718321 h 454.4.2本文所用地震波的选择 PAGEREF _Toc294718322 h 464.4.3框架模型参数 PAGEREF _Toc294718323 h 474.5节点剪切变形影响因素分析 PAGEREF _Toc294718324 h 514.5.1轴压比对节点核心区 PAGEREF _Toc294718325 h 52剪切变形的影响4.5.2剪压比对节点核心区 PAGEREF _Toc2

11、94718326 h 56剪切变形的影响4.5.3本章分析结论 PAGEREF _Toc294718327 h 58结论与展望 PAGEREF _Toc294718328 h 591本文的主要结论 PAGEREF _Toc294718329 h 592进一步研究的问题 PAGEREF _Toc294718330 h 59参考文献 PAGEREF _Toc294718331 h 61到 PAGEREF _Toc294718332 h 64第一章介绍1.1 节点销毁概述车架接头是车架结构中不可缺少的组成部分。所谓“框架节点”，主要是指承重框架中的梁柱节点。具体来说，主要是指框架梁与框架柱相交的节点

12、核心区，以及相邻的梁端和柱端区域。框架节点是结构力传递的支点，起到传递和分配框架内力，保持结构完整性的作用。国外历次大地震显示1 （图1.1为2008年汶川地震时节点典型破坏形式）：钢筋混凝土框架结构抗震性能较好，但钢筋混凝土框架结构较多，无抗震设防设计。相当多的此类结构在八度及以上地震作用下会发生不同程度的破坏，甚至导致结构倒塌。通过对钢筋混凝土框架的地震破坏分析，可以得出结论，破坏最突出的区域发生在柱端和梁柱连接处，而造成整体结构破坏的主要原因之一是结构的破坏。接缝，就会发生这种结构性损坏。后期修复比较困难。因此，梁柱节点是整个结构体系抗震的薄弱环节。为保证整体结构具有良好的抗震性能，节点

13、应具有足够的刚度和强度。即使在强烈地震下，接头也不应出现剪切破坏和钢锚滑移破坏。在重复荷载作用下，钢筋混凝土框架的梁柱节点极为复杂。因此，为了提高钢筋混凝土框架结构的抗震性能，确保在地震中充分发挥各构件的强度和延性，首先要对各构件进行加固。它们之间的连接可以满足强度和刚度的要求，从而保证整个结构在地震作用下的完整性。图 1.1 汶川地震典型节点破坏形式框架节点通常被认为是刚性的，但对于一些工程，当遇到中、大地震时，节点处梁杆的粘结滑移和节点开裂或失效成为必然，这与假设节点是刚性的不符，因此节点本身的剪切特性显然会被忽略，无法模拟节点的损伤。已有的试验和地震破坏表明，节点核心区的开裂甚至失效会对

14、整个结构的横向位移和受力产生很大影响。接头变形包括两个分量： 1）由接头剪力引起的接头核心区的剪切变形； 2）由于纵向钢筋锚固失效或粘结刚度下降引起的梁钢筋粘结滑移变形。剪切变形和滑动变形会降低结构的能耗，增加结构的整体位移。因此，在结构地震反应分析中考虑节点变形是非常重要的。梁柱节点作为梁柱接合区，其受力特性非常复杂，这决定了对节点的研究大多采用实验方法，很少采用数值模拟方法。如今，使用基于模型的分析框架节点的方法逐渐引起了学术界的关注。许多学者提出了不同的仿真方法和构建节点模型的方法。但最重要的一点是，无论采用何种模型，都应反映节点核心区的剪切变形和纵筋的滑移对整体框架结构的影响，这是一个

15、重要的判据。判断计算模型是否适用。1.2 国外节点研究综述1610地震反应分析中受力较为复杂的结构件。 1960年代末至1980年代初，国外学者首次完成了钢筋混凝土平面框架节点的试验研究工作。虽然不同国家研究人员选择的方法和侧重点不完全相同，试验中参数的选择也有很大差异，但通过试验得出了关于节点抗震性能的结论，这让我们更当组件的变形逐渐增加时准确。 ，首次对钢筋混凝土框架中梁柱节点的损伤发展和破坏模式进行了感性认识。其中最具代表性的学者是美国的NW Hanson和S. Fuji，新西兰的R. Park和T. Paulay，美国的MJN Priestley，美国的JO Jirsa和访问学者Lie

16、n De来自中国的日本学者Hiroyuki Aoyama和来自中国的胡庆昌等完成了试点研究。各国学者在设计规范中制定节点设计规定时，对节点区域受力传递机制和计算模型的结论存在较大差异，使得抗震框架梁柱节点的设计方法在设计规范中采用。各国的设计法规或设计规定有所不同。如果很大，按照相应规定计算的有箍的节点数也相差很大。1980年代，由于美国ACI 318规范的“约束模型”计算的节点环比明显偏小，新西兰学者没有考虑梁柱纵筋的粘结滑移。联合的。在这种情况下， “桁架机构”和“斜撑机构”的力传递机构计算的节点环比过大。为了调和这些试验结论和设计方法上的差异，钢筋混凝土框架梁柱节点的抗震性能由日本青山弘

17、之教授、新西兰T. Paulay和R. Park教授以及J.O教授共同发起。 . Jirsa 来自美国三国比较测试。在此过程中，中国同济大学朱伯龙教授和中国建筑科学研究院永春研究员也申请加入本次联合比较实验，四国学者共同制定了新、美、日本和中国。 1990年，联合试验后在檀香山召开总结会议。参与测试的学者对各国的测试结果进行了综合分析。最终分析结果表明，在相同节点剪压比条件下，新西兰法规对箍圈有要求。如果过于严格，虽然接头的抗震性能明显优于其他三个国家，但箍筋量太保守了。美国和日本的箍最小，但接头的抗震能力仍能满足法规要求；中国的箍筋明显小于新西兰，但略大于美国和日本，节点的抗震性能也令人满意

18、。虽然这次对比试验最有价值的收获是对给定条件下抗震接头合理箍筋布置水平的共识，但国家规定始终坚持自己的传力模型，并没有具体提出研究核心。该区域的力传递机制对提高和提高人们对节点受力性能的认识没有太大帮助。在此次国际试验的推动下，节点的抗震性能和设计方法的研究又出现了一个新的高潮。本试验的研究领域拓展到现浇板双向受力节点、偏心节点以及受轴向压力影响的中间层端节点的抗震性能等研究课题。同时，还对贯通接头核心区的梁、杆的粘结性能进行了试验研究。这些研究发现了抗震框架节点的许多受力现象，改变了许多传统的对节点受力性能的认识。1990年代初，国际知名学者、东京大学的Hiroyuki Aoyama教授对当

19、时各国联合比较实验和最新一轮节点性能研究成果进行了系统总结，并发表了一系列论文。他指出，此次联合比试史无前例，得到各国大规模国家基金的支持，导致各国学者在联合比试计划之外开展了大量研究工作，使人们能抗震的框架梁。柱节点的受力特性及各种因素对节点受力影响有了更新更广泛的认识，使各国通过联合对比试验确定了各自设计规则的有效部分，明确了需要进一步完善的方法。在未来。非常遗憾的是，国际学术界未能针对节点核心区的力传递机制提出令人信服和权威的分析模型，也未能在合理模型的基础上提出更准确的模型。一种反映各种受力条件下梁柱节点受力特性的设计理论。这说明当时的一些知名研究人员已经意识到，上述新西兰法规提出的两

20、个节点应力模型和美国ACI 352委员会的设计建议只是部分反映了节点的应力特性，远从综合。解释各种复杂应力条件下节点的应力特性。1980年代中后期，日本东京大学的Kazuhiro Kitayama、Shunsuke Kotani、Hiroyuki Aoyama等学者总结出“约束机制”的存在。在我国，从 1980 年代中期到 1990 年代中期，建筑科技大学傅建平教授和白少良教授在总结国外多年实验研究成果的基础上，综合分析了建筑工程中的力传递机制。框架接头，并分析了框架接头中的力传递机制。结合他们在节点试验研究中的结果，验证了除了“斜撑机构”和“桁架机构”之外，还有“约束机构” 4 5 7 。

21、“约束机制”包括节点核心区混凝土与约束核心区混凝土的箍筋之间的相互作用。 “约束机制”虽然不直接参与节点剪切力的传递，但它是节点的抗剪力持续到最大，使组件能够实现更大变形的重要前提。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长期以来，由于条件的限制和人们对框架节点破坏的忽视，各国的设计规范都没有对节点做出规定。因此，之前对节点的理解还只是初级阶段。大约从1960年代开始，钢筋混凝土高层建筑发展迅速，20层以上的钢筋混凝土框架结构（或框架-剪力结构）层出不穷。高强混凝土和大直径高强变形钢筋已广泛用于提高材料强度。 ，组件的横截面尺寸减小，因此节点区域的横截面尺寸

22、也减小 1 。此外，对梁柱构件性能的研究也取得了很大进展，提高了构件的强度和延性。这样，框架结构的薄弱环节就转移到了梁柱连接处。7-10中的梁柱复合试验得到的组合体中梁、柱和节点核心区的梁、柱和节点核心区，计算出各构件变形引起的组合梁外端挠度考虑梁外端的总挠度。比（见表 1.1）。从表中可以看出，当剪压比过大时，节点核心区的剪切变形占梁外端位移的30%左右，最大可达50 %左右。 .由于框架节点是结构力传递的支点，在地震作用下，框架节点承受相当大的水平剪力（比柱子承受的剪力大4-6倍），因此剪力破坏为一般比较脆。 .同时，节点是结构中较为薄弱的部位，节点的强度、刚度和耗能能力也会因反复地震荷载

23、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展性。近年来，国外学者针对节点的这一特点，开展了一系列抗震框架节点的试验研究。近二十年来，各种计算软件对结构计算越来越普遍。与梁、柱等构件的计算软件相比，节点核心区可使用的强度计算软件相对滞后。因此，计算软件一直将节点视为刚体或计算的节点剪力很小。直到2006年3月，更精确的梁柱节点核心区剪力值计算方法被纳入常用的PKPM软件。但在以往的结构设计中，没有计算节点强度，忽略了节点核心区的强度和变形，使得结构存在严重的安全评估和识别问题。表 1.1 由节点剪切变形 引起的梁外端挠度与梁外端总挠度的比值7-10样品姓名轴压比剪压比马镫特征值延

24、展系数（）=1=2=3=4=5J-10.050.1250.05610164142J-20.360.1610.07212753-歼30.050.1300.047161282-歼50.050.1650.08816266二十二-歼60.360.2380.1271228526070歼70.050.1970.1303240444548歼80.250.2170.11928384045-歼90.050.1560.07418304036-歼100.250.1880.088二十二404446-歼120.250.2380.1231918203248歼130.150.2670.1431520253238歼150.1

25、50.3100.2131224373244歼160.450.3100.180二十一20243632目前，此类问题普遍存在于钢筋混凝土框架梁柱节点（包括节点较薄弱的钢筋混凝土异型柱结构）中。为实现“大震不倒塌”的目标，最重要的手段是对罕见地震下的结构进行弹塑性时程响应分析或静力弹塑性pushover分析。可见，很少考虑罕见地震下钢筋混凝土框架梁柱节点变形引起的强度退化甚至失效的因素。钢筋混凝土框架梁柱节点核心区节点变形、强度退化等问题在一定程度上影响了整体结构的性能。因此，需要一种能够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有效的分析。1.4 当前节点研究存在的问题1101

26、970年代至今，国外许多专家学者进行了多次节点实验，取得了很多研究成果，但仍面临以下问题需要研究和解决：1 .目前，在钢筋混凝土框架结构的有限元分析和结构设计过程中，往往将节点视为刚体，忽略节点变形的影响，导致分析结果的准确性大大降低。事实上，在反复地震荷载作用下，当结构进入弹塑性变形阶段时，节点的变形会对整体结构产生很大的影响。现在考虑节点变形对整体结构的影响，主要采用梁端塑性铰法，其主要方法思想是校正连接梁单元的刚度。但由于节点力的复杂性，该方法的分析结果存在较大误差。2 .影响节点变形的因素很多。使用现有的节点分析模型进行结构分析时，只考虑了一部分因素，而忽略了另一部分因素。例如，假设节

27、点的抗剪强度满足要求，忽略节点剪切变形的影响。但事实上，当节点处的剪力增大到一定程度时，节点核心区就会出现剪切裂缝，导致节点的强度和刚度迅速下降。如果不考虑，计算出的节点强度和刚度会高于实际情况，使结构不安全，同时节点的剪切破坏将被视为其他破坏形式。因此，需要详细区分节点的各种失效形式和失效特征，提出能够综合考虑各种影响因素、反映节点不同失效模式的统一分析模型，从而获得更准确的节点受力和变形。关系。1.5 本文研究的主要问题及采用的方法由于节点本身的受力特性非常复杂，目前在分析框架结构的地震响应时，往往将节点视为刚性节点，节点核心区在整个受力过程中不会受到破坏。结构，因此忽略了节点变形的影响。

28、 .事实上，对于钢筋混凝土框架节点，当结构进入弹塑性变形阶段时，节点变形的影响会很大。如果设计时不计算节点强度和承载力，结构整体变形过大，结构在地震作用下的抗震性能会降低。因此，在结构分析中必须考虑节点的变形。通过前期震害调查和试验结果分析，不难发现31011在框架结构整体变形中由节点变形引起的部分占有相当大的比例，不能被忽略。因此，我们应该对节点变形的影响给予足够的重视。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-滑动变形。由于节点受力特性的复杂性和空间的限制，本文主要考虑轴压比、剪压比和环箍特征值三个因素对节点剪切变形的影响。在分析接头的剪切机理时。本文首先对上述三个影响因素

29、进行分析，然后采用有限元法将节点作为整体结构分析中的节点单元。与以往的分析方法相比，节点单元法不需要修改连梁单元的刚度，只需对节点进行独立的模拟分析，可以实现将节点单元引入到目前使用的刚性节点框架分析中。程序来考虑每个元素。影响节点变形的因素。由于节点受力的复杂性和条件的限制，本文主要研究节点的剪切变形，对节点钢筋粘结-滑移变形引起的节点变形不做分析。当梁柱纵筋直径与贯入长度之比大于一定值（例如：1/20）时，可以通过增加核心区的剪切变形来增加粘结滑移变形。节点（或减少节点单元的剪切变形）。剪切刚度）方法来近似考虑。本文在大量实验研究和学术文献更改为“现有研究数据”的基础上，建立了与实际节点相

30、符的删除节点剪切力（ V ） -剪切角（ ）之间的滞后曲线。对恢复力曲线的主要参数进行了分析和定义。在此基础上，以SAP2000为分析平台，利用软件的非线性分析功能模块，对考虑节点剪切变形的框架地震响应进行分析。根据有限元计算结果，得到考虑节点剪切变形的框架顶部时程曲线，并通过改变参数深入分析影响节点剪切变形的因素。更改为“现有研究数据”删除可以更客观地模拟和反映框架结构在地震作用下的弹塑性响应，使计算结果更符合工程实际，具有更高的工程应用价值。价值。第2章框架节点的剪切机制2.1节点核心区剪力传递机制410框架梁柱节点的核心区域，包括开裂、贯通开裂、极限和破坏，目前研究的剪力传递主要存在以下

31、机制：斜压杆机构、桁架机构、约束机构、组合块机构和剪切摩擦机制。梁柱节点中的“桁架机构”和“树皮机构”模型（图 2.1）由新西兰的 T. Paulay 和 R. Park 在 1970 年代提出。一方面，由于梁端或柱端受压和受拉的共同作用，贯穿节点的梁、柱钢筋将很大一部分力以周边“剪力流”的形式传递到节点。 “通过粘合作用。此时节点核心区受到相应的主拉应力和主压应力，形成典型的“纯剪”状态，节点核心区混凝土承受斜向主压。剪切场形成的应力。在斜向主拉应力的作用下，当核心区混凝土出现斜向裂缝时，主拉应力将由核心区的水平箍筋和节点柱的纵筋共同承担，从而形成一个裂缝。 “桁架机构”（truss mec

32、hanism）；另一方面，从梁端和柱端受压区混凝土传递到节点边缘的大部分压力也在节点内转化为斜向压力，这是由一定宽度的斜芯区混凝土柱产生的。 .轴承，由这种现象形成的机构称为“斜杆机构”。美国ACI 352委员会的主要“约束模型” ，即“柱模型”，认为节点的核心区域可以看作是剪力比较大的截面。因此，接头可以用作柱端。只要节理中的箍筋配置达到合理数量，即“约束作用”达到一定程度，就可以充分发挥节理区的抗震性能。根据这一理论，美国ACI 318和ACI 352委员会提出的设计方法不进行节点抗剪力计算，而仅从结构方面确定箍筋比。(1) 斜杆机构在应力作用下的核心区弹性阶段，核心区沿对角线方向有几条近

33、似平行的主压应力等值线，从而形成对角压力区，可以表明斜压条的存在。在这个阶段，混凝土没有开裂，核心区的箍筋受到的力很小。此时节点核心区的剪力主要由混凝土承担，即核心区沿对角线方向的压力由虚拟“混凝土斜压杆”沿对角线方向承受，也就是“混凝土斜压杆”。机制” 。当核心区未配置箍筋或箍筋不工作时，节点的承载力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且节点核心区域没有受到严重破坏的情况下。在一个坏的结构中，如图 2.1(a) 所示。根据斜杆机理，节点核心区抗剪强度值的计算公式为（这是混凝土斜杆抗压强度极限值的水平分量） ：(2-1)其中 ：交叉裂缝影响的混凝土强度折减系数；的宽度；

34、- 斜杆与水平线的夹角；等效计算的斜杆宽度。(a) 斜撑机构 (b) 桁架机构图 2.1 节点应力机制(2) 桁架机构当柱端设置密集竖向钢筋，节点核心区设置水平箍筋时，在重复荷载作用下，节点承受较大剪力时，核心区会出现多条斜向裂缝。 ,混凝土斜杆的 作用减弱, 大部分 剪 力 可以 假设 由虚拟桁架 机构 承担 .如图2.1（b）所示。节点处的剪力分解为斜向压缩、水平拉伸和平行于剪切裂缝的垂直拉伸。节点核心区的水平拉力由水平箍筋承担，竖向拉力由柱的竖向纵筋和竖向箍筋承担，对角线压力由混凝土柱承担（受马镫）由斜裂缝组成。这种力的平衡机制称为“桁架机制” 。根据这一机理，混凝土强度、柱轴力、水平箍

35、筋和垂直箍筋是影响节点核心区抗剪强度的主要因素。此时柱轴力的影响可以体现在混凝土的抗剪力上，进而可以从节点的水平剪力得到水平箍筋，得到竖向箍筋的量。来自节点的垂直剪力。桁架的机理是：在其他条件不变的情况下，核心区的主压应力值会随着柱轴压比的增大和斜向受压柱区的不断扩大而增大。最终，几乎整个核心区都会面临压力。同时，核心区的主拉应力迹线逐渐变平，主拉应力引起的斜向裂纹的发展方向也随之发生变化。芯区中部的主拉应力逐渐减小。因此，“八字裂缝”可能首先出现在核心区的四个角落。当施加在节点核心区域的剪力值达到其剪切极限值的60%70%时，核心区域会产生沿对角线方向的较大拉力和压力。此时，核心区混凝土出现

36、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屈服，导致节点的抗剪强度明显下降，节点将进入贯穿裂缝阶段。 .当连续施加重复荷载直至梁中的纵筋屈服时，节点核心区的混凝土会出现许多平行和对角的全长裂缝。同时，核心区水平箍筋承受的剪力逐渐增大，箍筋逐渐屈服。虽然斜杆机构和桁架机构的传力原理比较明确，但对节点不同受力阶段两种传力机构的定量定义还不是很清楚。大学傅建平提出“梁柱简支杆模型” ，可在了解梁柱端部法向截面受力情况的前提下，确定梁端部是对称的还是不对称的。节点周围。上述两种传力机构在筋连接时在节点核心区所分担的节点剪力之比。(3) 约束机制近年来，国外一些学者已经认识到，如果不考虑节点处

37、水平箍筋的约束作用，就不可能揭示水平箍筋各肢的应变随应力增大的规律。因此，他们认为，除了节点核心区的斜撑机构和桁架机构外，还有一种不可忽视的机构 “约束机构”（图2.2） 。约束核心区混凝土的箍筋与约束核心区混凝土相互作用形成的结构。 1980年代中后期开始，日本著名学者Kazuhiro Kitayama、Shunsuke Kotani、Hiroyuki Aoyama等，为了验证这种机制的存在，平行测量了关节箍筋的应变变化规律。加载方向，在试样的设计中。 ，他们将节点核心区两个方向的箍筋设置为单肢，最终得出试验结论：平行于加载方向的箍筋既能承受桁架机构产生的拉力，又能承受核心区的混合负荷。斜向

38、受压引起的混凝土横向膨胀引起的被动约束拉力；垂直于加载方向的箍筋承受斜压混凝土横向膨胀引起的被动约束力。这证明了约束机制的存在。约束机制虽然不直接参与关节抗剪力，但始终存在。保持接头的抗剪能力是必不可少的先决条件，直到组件发生较大程度的变形而不会立即失效。也是保证节理面积充分发挥的重要前提，是发挥抗震性能的重要节点应力机制。多位学者通过梁柱装配试验和前人联合试验证实了约束机制的存在，进一步丰富了该机制在联合抗剪各阶段的作用和规律。并得出相应的结论。约束机构虽然不直接参与节点剪切力的传递，但在不立即失效的情况下，实现组件的较大变形是节点抗剪力不可缺少的先决条件。“约束模型”或“柱模型”，由美国

39、ACI 352 委员会的 JK Wight 教授主持。即认为节点区域可视为具有较大剪力的特殊柱截面，建立斜压杆-拉杆模型（如图2.3所示）。因此，该模型类似于柱端。只要节点的箍筋比合理，即围压混凝土的受力达到一定水平，就可以保证节点区域的抗震性能。根据这一观点，美国ACI 318和ACI 352委员会提出的设计方法不进行节点抗剪力计算，而仅从结构方面计算箍筋量。图 2.2 约束机构 图 2.3 斜拉杆模型(4) 组合块机构我国框架节点特殊群体通过大量试验研究认为，节点核心区混凝土斜杆机构和桁架机构分别存在于弹性阶段和贯通裂缝阶段；并且从开裂到最终破坏阶段，相应的剪力通过组合块机构传递。在低周反

40、复荷载作用下，当节点核心区两侧梁纵筋进入屈服强化阶段时，核心区纵筋发生滑移。此时，在梁与节点核心区交界处混凝土裂缝闭合后，核心区部分剪力通过局部压缩力传递，重复荷载不断增大，斜向裂缝在核心区也增加，而箍筋的屈服使钢筋继续伸长，混凝土沿裂缝移动，使裂缝不再能完全闭合。此时，核心区的混凝土被相交的斜裂缝分成许多菱形块。在肋的约束和轴向压力的共同作用下，形成组合块机制（如图2.4所示），岩心区进入断裂阶段。在这一阶段，核心区的斜向压力由骨料对混凝土砌块之间的压缩裂缝的遮挡来承担。箍筋和柱纵筋除承受斜向拉力外，还利用销钉对受拉裂缝的作用来抵抗砌块间的剪切滑移。试验表明，在破裂阶段，合理箍筋的核心区组合

41、砌块机构具有良好的承载能力，但节点刚度逐渐降低，残余变形增大，混凝土保护层逐渐脱落。如果继续加载，节点变形会不断加大，混凝土砌块会因被压碎而失去咬合作用，节点核心区承载力会明显下降，最终导致节点故障。图 2.4 组合块机制( 5 )剪切摩擦机构剪切摩擦机理适用于核心区箍筋已经屈服，核心区混凝土发生剪切破坏，但梁的纵向钢筋没有屈服，没有发生粘结滑移的情况。如图2.5所示。剪切力的增加导致核心区出现斜向裂缝，将核心区分成两个区域。随着裂缝宽度的增加，两个区域发生滑动摩擦，与裂缝相交的水平箍筋的张力逐渐增加，直至屈服。节点的剪力由两部分承担：一部分由与裂缝相交的箍筋承担，另一部分为节点核心区对角处的

42、弯曲压力产生的混凝土摩擦力，即：( 2-2 )在：0.7摩擦系数；N立柱的轴向压力；M b 节点附近的梁端弯矩；h co 柱截面有效计算高度；h bo - 梁截面的有效高度。图2.5 剪切摩擦机理2.2 钢筋混凝土框架节点剪切变形影响因素131011研究表明13在节点核心区混凝土斜拉压力的作用下，引起节点核心区形状的斜向变形，产生剪切变形。接下来，我们主要分析影响节点核心区剪切变形的因素。它有以下几项：节点几何尺寸、轴压比、剪压比、混凝土强度等级、节点箍特性值、循环次数。本文主要分析剪压比、轴压比、环向特征值三个因素：(1) 剪压比( )对节点剪切变形的影响在：节点剪力的大小；- 节点核心区混

43、凝土的抗压强度；- 节点核心区域混凝土的截面宽度和高度。目前，对接头性能的测试一般以复合体进行研究。所谓复合体，是指由节点核心区和与其相连的梁端、柱端组成的连接体。主要实验结果是梁伸长的挠度变形表现出来。挠度主要包括以下四个部分：节点核心区剪切变形引起梁段刚体转动，产生梁端挠度变形；梁段本身弯曲引起的梁端挠度；梁段本身剪切变形引起的梁端挠度变形；柱本身的弯曲和剪切变形引起的梁端挠曲变形。表 2.1 剪压比对剪切变形的影响7 10单位：度延展系数剪压比=1=2=3=4=50.20.1760.510.660.871.320.20.2070.511.111.683.36注：表 2.1 给出了剪压比小

44、于 0.2 的试样的平均剪切变形和剪压比大于等于0.2的试样的试验平均剪切变形，以反映剪压比与剪切变形量之差。影响。分析表 1.1 中的数据，结合文献7810（见表 2.1）中梁柱组合试验的数据，可以得出节点剪切变形占梁外端总挠度变形的比例。变化趋势可以摘要为以下两种情况：剪压比较小的试样 ( )。通常，只有当位移延性系数达到较大值时，节点核心区的混凝土才会受到一定程度的破坏。也就是说，当加载终止时，一些试件在核心区只是轻微损坏。在此类试件中，当= 1 时，与前一种情况类似，梁外端的总挠度主要是由梁段本身的变形引起的，因为在该试件中，梁端首先屈服。在这种情况下，剪压比很小，节点核心区的混凝土就

45、会出现裂缝。外围的传播速度较慢，因此在这种情况下，桁架机构的作用不大，因此核心区混凝土斜向斜向裂缝的发展速度较慢。因此，梁外端的挠度始终以梁的滑移和塑性伸长为主，且在梁外端总挠度中的比例一直在增加。但节点核心区变形引起的梁外端挠度在总变形中的比例始终呈现缓慢下降的趋势。第二类是剪压比较大的试样（ ）。当= 1 时，由于梁端纵筋的屈服，梁变形在梁端挠度中所占比例最大。随着荷载循环次数的不断增加，节点核心区斜裂缝开始迅速发展，核心区混凝土逐渐被交叉斜裂缝分割开来。因此，核心区剪切变形引起的梁端挠度迅速增大，而此时梁弯曲引起的裂缝趋于闭合。虽然贯穿节点的梁纵筋的滑移在节点内逐渐增大，但梁的变形引起的

46、梁端挠度包括梁纵筋的滑动和塑性伸长率逐渐增大，但接头剪切变形的增长率增加。其增长率仍高于其在梁端总挠度变形中的比例。因此，在以下位移延性系数下，节点区剪切变形占梁外端总挠度变形的比例逐渐增大，而梁端自身变形占总挠度的比例逐渐增大。梁端变形逐渐减小。在粘结退化前的索张破坏控制阶段，当剪压比和轴压比都较大时，节点区桁架机构产生的主拉应力减小，出现斜向裂缝。在混凝土核心区之后。而且发展非常缓慢，有利于充分发挥节点的抗震性能。但在斜压破坏控制阶段，即梁纵筋发生粘结退化后，斜压杆机构中沿对角线的斜压力会随着轴压比的增加而增大，从而加快节点的连接速度。核心区。混凝土的失效率不利于充分发挥节点的抗震性能。当

47、剪压比过大时，轴压比对接头剪切变形的影响可分为以下两个顺序：1）在初始加载阶段，轴向压力的比较会延迟接头的开裂时间，有利于减少平行于加载方向的核心区箍肢的应变发展，使其具有在后续装载过程中有更大的储备。关于约束机构。较大的轴压比有利于减缓梁纵筋在初始加载阶段的粘结滑移速度，提高梁筋的粘结性能，有利于梁端塑性铰的发展，有利于框架的延展性。因此，有利于提高节点的抗震性能。2）在后期加载阶段，轴压比会大大增加节点核心区斜杆的压应力，从而加速节点区的破坏。这样的利好影响也将在很大程度上被抵消。总而言之，这对接头抗震性能的影响是不利的。因此，当剪压比过大时，节点设计时最好不要考虑轴压比对节点剪变形的有利

48、影响。(2)轴压比n ( )对剪切变形的影响根据文献910，总结了梁柱装配试验得到的节点分析结果（见表2.2和表2.3 ） 。从表中可以看出，轴压比对接头剪切变形的影响比较复杂，下面将介绍两种情况：表 2.2轴压比对节点剪切变形 的影响 剪压比，单位度延展系数轴压比n=1=2=3=4=50.20.190.530.690.782.60.20.120.470.67表 2.3轴压比对节点剪切变形 的影响 剪压比，单位度延展系数轴压比n=1=2=3=4=50.20.160.490.981.352.50.20.230.511.171.852.61(1)剪切压力比较小。如果轴压较大，受力后期梁纵筋粘结退化

49、严重，受压区混凝土应力增大，但水平剪力从桁架机构传递到斜杆。机构很小，接头上的剪应力会很小。力的作用也很小。因此，当核心区混凝土的主压应力随着轴压比的增加而进一步增大时，沿对角线的斜向压应力仍不会使核心区混凝土压碎。程度。如果轴压比较小，由于梁纵筋的粘结力较低，剪力较小，一般不会破坏核心区的混凝土，复合体只会发生过大的塑性变形和滑移。由于梁钢筋贯穿截面。结果，后期复合体的刚度和耗能能力变得很差。因此，适当的轴压比有利于提高复合体的抗震性能，轴压比对接头剪切变形的影响是有利的。剪压比为中或大。在中等轴压比作用下，梁纵筋的粘结退化发展缓慢，核心区斜向裂缝出现较晚，节点进入贯通裂缝阶段较晚。这有利于

50、提高接头的抗震性能。一旦节点进入贯通断裂阶段，节点自身所承受的剪力已经很大，斜杆机构内的压力也很大，轴向压力的增加会进一步增加节点内的压力。斜杆机构。 ，大大增加了核心区混凝土发生早期斜压破坏的可能性，显然不利于节点抗震性能的发挥。此时节点斜杆机构中的压应力已经很大。如果轴压比继续增大，斜杆机构中的主压应力也会增大，这将大大增加节点核心区混凝土的应力，最终导致混凝土的快速斜向破碎。在节点区域。因此，在这种情况下，轴压比对节点剪切变形的影响是不利的，并且随着轴压比的不断增加，这种不利影响越来越明显。这不利于提高接头的抗震性能。 “优势”和“劣势”两种结果，或“延迟”和“改善”两种效果可以大致相互

51、抵消。因此，这种试件在轴压比过大和轴压比过小时效果较差。节点抗震性能的影响很小，可以忽略不计。因此，对于此类试件，轴压比的有利影响可以忽略不计。(3)当剪压比高时，上述轴压比的有利影响较小，但不利影响较大。因此，必须采取比中高剪压比更严格的措施，以确保节点核心区具有更好的抗震性能。根据以上分析，轴压比对节点剪切变形的影响可归纳如下：当节点剪压比过小时，增加轴压比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，而且可以使核心区沿对角线。该方向的斜裂缝出现较晚，这也使接头的剪切变形变小。此时，轴压对接头抗震性能的影响是有利的。并且节点作用的剪压比越小，这种有利作用越明显，反之，随着剪压比的增加

52、，不利影响越明显。当节点剪压比过大时，虽然轴压比的增加会在一定程度上延迟节点核心区进入贯通裂缝阶段，但一旦节点进入贯通裂缝阶段，斜压混凝土受力会迅速增大，这对接头的抗震性能是不利的。因此，此时最好忽略轴压比的有利影响。(3) 节环特征值对剪切变形的影响环比对提高梁柱节点核心区的抗剪强度非常明显。但在核心区开裂初期，与环比关系不大，因为混凝土开裂前节点的剪力主要由混凝土承担。水平箍筋有两个方面：一是承受节点水平方向的剪力；二是对节点核心区混凝土进行约束，提高核心区混凝土强度。由此可见，核心区的箍筋比对斜杆机构、桁架机构、约束机构等节点的剪力机制影响很大。如果箍筋比过高，不仅会使施工难度加大，而且

53、箍筋不能充分发挥，造成不必要的浪费，既不合理也不经济。试验证明，如果节点的环比适中，即使核心区有斜裂缝，混凝土也能与箍筋同时承受剪力，直至同时屈服并达到最大值。值。箍筋的抗剪抗力达到核心区破坏时设计预测的最大抗剪强度值。如果节点的箍筋比大，而核心区混凝土有贯穿斜裂缝，箍筋所承受的剪力仍然很小，混凝土所承受的剪力已基本达到其屈服强度值。箍筋屈服，混凝土承受的剪力已达到极限抗剪强度的65 %左右。这样一来，混凝土在箍筋屈服之前就发生破坏，节点核心区的抗剪强度达不到设计预期。最大抗剪强度值，计算节点抗剪强度值的安全性大大降低。2.3 节点核心区机械性能及失效过程13411节点是框架梁与框架柱相交的核

54、心区域，是框架结构的重要组成部分。框架中的节点是动力传输枢纽，传递和分配来自梁和柱的弯矩、剪力和轴向力。如果竖向荷载大而水平荷载小，则左右梁端部力产生的节点剪力小，对节点有利。如果水平荷载较大，则左右梁端分别有正负弯矩，左右梁端受力产生的节点剪力较大，对节点不利。因此，后一种情况成为研究节点性能的关键。在重复荷载作用下，节点核心区的应力特性非常复杂。柱的轴力、剪力、弯矩和梁的弯矩和剪力均由节点核心区承担（图2）。 .6 ) 。柱的轴压和梁柱的剪力会引起节点核心区的斜拉和斜压。如果载荷继续增加，节点的受力和破坏可分为以下四个阶段：弹性阶段（开裂前的阶段）、贯穿裂缝阶段、极限阶段和破坏阶段。图 2

55、. 6-节点核心区受力图(1) 节点核心区混凝土开裂前，称为弹性阶段。在这个阶段，对角线压力全部由沿对角线方向的混凝土承担。同样，剪力几乎全部由混凝土承受，箍筋几乎不承受剪力。但混凝土的抗压强度较高，在压力和剪力的共同作用下其变形很小。因此，接头的变形很小，可以忽略不计。力达到其极限抗剪强度的60%70%时，核心区会产生较大的斜向拉力和斜向压力，核心区混凝土会出现斜向，宽度为约 50%。 0.1-0.3毫米贯穿裂缝。一旦混凝土出现裂缝，箍筋的受力会迅速增加，甚至使箍屈服，此时节点的刚度会迅速下降。随着载荷的不断增加，节点核心区出现贯通斜贯通裂纹，进入贯通裂纹阶段。此阶段混凝土出现贯通裂缝，节点

56、刚度迅速下降，变形较大。(3)贯通裂缝后，梁端竖向荷载可继续增加，但增加幅度不大，核心区裂缝在原裂缝基础明显变宽，出现少量新裂缝。核心区的剪切变形比初始裂缝大很多倍，混凝土开始剥落。经过几个加载循环后，外载荷能力达到最大值，称为极限状态。载荷可以继续增加，因为随着变形的增加，裂缝之间的混凝土骨料具有抵抗接头处水平剪力的机械摩擦力。并且随着外荷载的增加，水平箍筋的应力逐渐增大。箍筋一方面参与抵抗节点的水平剪力，另一方面，其对核心区的压缩膨胀混凝土的约束作用应不断增加，这也提高了混凝土的抗剪效果。核心区混凝土斜杆机构。基于以上原因，外部载荷可以从贯穿裂纹阶段持续增加至极限状态。节点的非线性特性越来

57、越明显，不可恢复的变形越来越大。( 4 ) 随着重复荷载的不断施加，沿对角方向的斜裂缝不断发展，宽度和数量不断增加，箍筋所承受的剪力不断增大，陆续达到屈服强度此时，如果核心区的箍筋配比适中，即使箍筋全部屈服，节点仍能保持最高承载力，但节点刚度下降较快，进而进入破坏阶段.在这个阶段，节点的混凝土被节点的斜交叉裂缝分成菱形块。可以说，混凝土已经完全失去了刚度。在这个阶段节点的剪切变形急剧增加。2.4 节点剪切失效模式和失效模式5102.4.1节点故障模式关于节点抗震性能的研究，学者们有两种观点：一是主要研究梁柱端部屈服前的节点破坏；二是关注梁柱端部屈服后节点的性能。延性框架最重要的要求是梁柱端部的

58、屈服应先于节点的破坏，因此后一种观点更为合理。图 2. 7 -节点故障模式图 2. 8种节点故障模式1.梁柱端纵筋前节点剪切破坏如果梁柱端部纵筋在节点失效前不屈服，节点核心区混凝土有足够强度，节点处箍筋数量较少。桁架机构中的对角线张力会导致节点在节点核心区沿对角方向开裂。此时混凝土不再承受剪力，而是由箍筋承受，使箍筋的剪力迅速增大，使其快速屈服，产生很大的应变。节点区斜裂缝发展较快。随着荷载的增加，裂缝宽度不断增加，节点刚度严重恶化，最终导致斜拉剪切破坏。如果节点核心区的混凝土强度较低，而箍筋数量较多，则节点的箍筋可以承受桁架机构中的斜向拉力。无论箍筋屈服前后，节点核心区的混凝土都会被斜向压碎

59、，导致斜向剪切破坏。第一种情况是斜拉剪切破坏或节点不屈服梁柱破坏。这种失效一般发生在图2.8所示轴压比n的相对坐标中的 I 区的小范围内。在这种情况下，节点的水平环向分布较低，但箍筋所承受的剪力较大，在梁柱端部屈服前节点会发生斜向开裂。由于环箍分布低，斜向裂缝在核心区沿对角线快速发展。当节点失效时，节点的箍筋往往屈服但不断裂，核心区混凝土不会斜塌。在梁柱不屈服的情况下，节点可能会经历多次交替剪切变形的斜压剪切破坏。这种失效一般发生在图2.8所示的轴压比n的相对坐标中的 II 区。在这种情况下，在梁柱端部屈服之前，节点处的裂缝仍然会出现。由于节点的箍筋比大，可以形成斜压杆机构和桁架机构，水平箍筋

60、也会影响核心区斜向压力作用下的混凝土。有限制作用。在双向交变应力循环中，随着组合体位移的增大，节点交变剪切变形增大，箍筋进入屈服阶段，核心区混凝土最终发生斜向受压，导致混凝土受剪。关节。削减伤害。图2.8所示的轴压比n的相对坐标中。在这种情况下，作用在节点上的剪压比很大，所以几次循环加载，甚至单向加载，都可能导致节点核心区发生斜压剪切破坏。2、梁柱端纵筋屈服后节点破坏或破坏对于抗震框架，为了保证其延性，梁柱端部的纵向钢筋首先达到屈服，然后结构将进入塑性动力反应阶段。该结构将利用梁和柱末端的塑料铰链等部件来消散地震能量。在这种情况下，梁柱端的纵筋依次进入屈服状态。同时，当变形增大到一定限度，累积