【正文】 ....................................44 彈簧滯回模型的定義 .......................................45 本文所采用地震波的選用 ...................................46 框架模型參數(shù) .............................................47 節(jié)點(diǎn)剪切變形影響因素分析 ......................................51 軸壓比對節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形的影響 .........................52 剪壓比對節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形的影響 .........................56 本章分析結(jié)論 .............................................58結(jié)論與展望 .......................................591 本文的主要結(jié)論 .................................................592 有待進(jìn)一步研究的問題 ...........................................59參考文獻(xiàn) .........................................61致 謝 ............................................64第一章 緒論 節(jié)點(diǎn)破壞綜述框架節(jié)點(diǎn)是框架結(jié)構(gòu)中不可缺少的一部分，所謂“框架節(jié)點(diǎn)” ，主要是指承重框架中的梁柱節(jié)點(diǎn)。具體地說，主要是指框架梁與框架柱相交的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以及與其鄰近的梁端和柱端區(qū)域?？蚣芄?jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)傳力的樞紐，它在框架中起著傳遞和分配內(nèi)力、維持結(jié)構(gòu)整體性的作用。國內(nèi)外歷次大震表明 [1]（圖 是 2022 年汶川地震時(shí)節(jié)點(diǎn)的典型破壞形式）：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能比較好，但是沒有經(jīng)抗震設(shè)防設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)卻存在許多的薄弱環(huán)節(jié)，有相當(dāng)數(shù)量的此類結(jié)構(gòu)在八度及以上的地震作用下會產(chǎn)生不同程度的破壞，甚至?xí)斐山Y(jié)構(gòu)倒塌。通過對鋼筋混凝土框架的地震破壞分析可得出：破壞較為突出的區(qū)域發(fā)生在柱端和梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)，其中導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一就是節(jié)點(diǎn)的損壞，而且此類結(jié)構(gòu)破壞后修復(fù)較為困難。因而，梁柱節(jié)點(diǎn)是整個(gè)結(jié)構(gòu)體系抗震的一個(gè)薄弱區(qū)域，為保證整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，所以節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度。即便在強(qiáng)烈地震下，節(jié)點(diǎn)也不應(yīng)出現(xiàn)剪切破壞和鋼筋錨固滑移破壞。在反復(fù)荷載作用下，鋼筋混凝土框架的梁柱節(jié)點(diǎn)受力極為復(fù)雜，因此，要提高鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，保證充分發(fā)揮各個(gè)構(gòu)件在抗震中的強(qiáng)度和延性，首先就是要加強(qiáng)各個(gè)構(gòu)件之間的連接，使之能滿足強(qiáng)度和剛度要求，從而保證整個(gè)結(jié)構(gòu)在地震作用時(shí)的整體性。 圖 汶川地震時(shí)節(jié)點(diǎn)的典型破壞形式框架節(jié)點(diǎn)通常被視為剛性，但對于某些工程而言，當(dāng)遭遇中震或大震時(shí)，節(jié)點(diǎn)處梁筋的粘結(jié)滑移及節(jié)點(diǎn)開裂或破壞就變得在所難免，這就不符合節(jié)點(diǎn)剛性的假定，這樣處理很顯然會忽略節(jié)點(diǎn)自身的剪切特性，更不能模擬出節(jié)點(diǎn)的破壞。已有的試驗(yàn)及震害說明，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的開裂甚至破壞對于結(jié)構(gòu)整體的側(cè)移和內(nèi)力會產(chǎn)生很大的影響。節(jié)點(diǎn)變形包含兩部分內(nèi)容：1)由節(jié)點(diǎn)剪力導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切變形；2)由于縱筋錨固失效或者粘結(jié)剛度退化導(dǎo)致的梁筋粘結(jié)滑移變形。剪切變形和滑移變形都會使結(jié)構(gòu)耗能降低，結(jié)構(gòu)整體位移增大。因而，在結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析中，考慮節(jié)點(diǎn)變形是十分重要的。梁柱節(jié)點(diǎn)作為梁柱交接區(qū)域，受力特點(diǎn)非常復(fù)雜，這就決定了對于節(jié)點(diǎn)的研究以前大多數(shù)是利用實(shí)驗(yàn)方法，而很少使用數(shù)值模擬的方法。如今，利用模型化分析框架節(jié)點(diǎn)的手段逐漸受到學(xué)術(shù)界的重視。很多學(xué)者提出了構(gòu)建節(jié)點(diǎn)模型不同的模擬手段和方法。但是最重要一點(diǎn)是，無論采用何種模型，都要反映出節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切變形和縱筋滑移對整體框架結(jié)構(gòu)的影響，這是判斷計(jì)算模型是否適用的重要標(biāo)準(zhǔn)。 國內(nèi)外節(jié)點(diǎn)研究概況 [1][6][10]鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)在地震反應(yīng)分析中是受力較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部位。從二十世紀(jì)六十年代末到八十年代初，國內(nèi)外學(xué)者第一次比較系統(tǒng)的完成了鋼筋混凝土平面框架節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究工作。雖然各國研究者選擇的方法和側(cè)重點(diǎn)不完全相同，試驗(yàn)中變化參數(shù)的選取也有很大差別，但通過試驗(yàn)得出了關(guān)于節(jié)點(diǎn)抗震性能的結(jié)論，使得我們對于組合體變形逐漸加大時(shí)，第一次感性的認(rèn)識了鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)的損傷發(fā)育和失效方式。其中最具代表性的學(xué)者有美國 N. W. Hanson 和 S. Fuji 等、新西蘭 R. Park、 T. Paulay 和美國的 M. J. N. Priestley、美國 J. O. Jirsa 和中國訪問學(xué)者張連德、日本學(xué)者青山博之以及中國胡慶昌等完成的試驗(yàn)研究。由于當(dāng)時(shí)各國學(xué)者對設(shè)計(jì)規(guī)范中節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)條文制訂時(shí)，對節(jié)點(diǎn)區(qū)傳力機(jī)理和計(jì)算模型的定論存在較大差別，這使得各國設(shè)計(jì)規(guī)范或設(shè)計(jì)條文采用的抗震框架梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法差異較大，按相應(yīng)規(guī)范計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)配箍量也相差很大。在二十世紀(jì)八十年代，由于美國 ACI 318 規(guī)范用“約束模型”按構(gòu)造計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)配箍率明顯偏小，而新西蘭學(xué)者在沒有考慮貫通節(jié)點(diǎn)梁、柱縱筋粘結(jié)滑移的情況下用“桁架機(jī)構(gòu)”和“斜壓桿機(jī)構(gòu)”的傳力機(jī)制計(jì)算所得出的節(jié)點(diǎn)配箍率過大。為了協(xié)調(diào)這些試驗(yàn)結(jié)論和設(shè)計(jì)方法上的差異，由日本的青山博之教授、新西蘭的 T. Paulay、R. Park 教授和美國的 J. O. Jirsa 教授共同倡議發(fā)起了鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的三國對比試驗(yàn)。在這個(gè)過程中，中國同濟(jì)大學(xué)的朱伯龍教授和中國建筑科學(xué)研究院的陳永春研究員也申請加入了這一聯(lián)合對比試驗(yàn)，并且四國學(xué)者共同制定了新、美、日、中四國對比試驗(yàn)方案。1990 年，聯(lián)合試驗(yàn)結(jié)束后在檀香山召開了總結(jié)會，參加試驗(yàn)的學(xué)者對各國試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了綜合分析，最后的分析結(jié)果表明，在相同節(jié)點(diǎn)剪壓比的條件下，新西蘭規(guī)范對配箍的要求過嚴(yán)，雖然節(jié)點(diǎn)抗震性能明顯比其它三國要好，但配箍量太過保守。美國和日本配箍率最小，但節(jié)點(diǎn)抗震能力仍能符合規(guī)范的要求；中國配箍率比新西蘭明顯偏小，但比美、日略偏大，節(jié)點(diǎn)抗震性能同樣較為滿意。雖然這次對比試驗(yàn)得到的最有價(jià)值收獲是對抗震節(jié)點(diǎn)在所給定的條件下的合理配箍水準(zhǔn)達(dá)成了共同認(rèn)識，但是各國規(guī)范始終堅(jiān)持自己主張的傳力模型，并沒有專門提出研究核心區(qū)傳力的受力機(jī)理，對提高和改進(jìn)人們對節(jié)點(diǎn)受力性能的認(rèn)識并沒有太大幫助。在這次國際試驗(yàn)的推動下，再一次出現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)抗震性能及設(shè)計(jì)方法研究的新高潮。此次試驗(yàn)研究領(lǐng)域擴(kuò)展到帶現(xiàn)澆板的雙向受力節(jié)點(diǎn)、偏置節(jié)點(diǎn)以及中間層端節(jié)點(diǎn)抗震性能受軸壓力影響等方面，但仍把中間層中節(jié)點(diǎn)和中間層端節(jié)點(diǎn)作為研究主體。與此同時(shí)，還進(jìn)行了對貫穿節(jié)點(diǎn)核心區(qū)梁筋粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究。這些研究發(fā)現(xiàn)了抗震框架節(jié)點(diǎn)中存在的很多受力現(xiàn)象，改變了人們對節(jié)點(diǎn)受力性能中的許多傳統(tǒng)認(rèn)識。二十世紀(jì)九十年代初，國際著名學(xué)者、日本東京大學(xué)青山博之教授對這次聯(lián)合對比試驗(yàn)以及當(dāng)時(shí)各國最新一輪節(jié)點(diǎn)性能研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，發(fā)表了一系列論文著作。他指出，這次聯(lián)合對比試驗(yàn)是史無前例的，它由各國國家基金的大規(guī)模支持，并由此帶動了各國學(xué)者在聯(lián)合對比試驗(yàn)計(jì)劃之外進(jìn)行了大量的研究工作，使人們對抗震框架梁柱節(jié)點(diǎn)的受力特征和各種因素對節(jié)點(diǎn)受力的影響規(guī)律有了更新更廣泛的認(rèn)識，使各國通過聯(lián)合對比試驗(yàn)肯定了各自設(shè)計(jì)規(guī)范的有效部分，明確了以后需要進(jìn)一步作出改進(jìn)的方法和內(nèi)容，但非常遺憾的是，國際學(xué)術(shù)界未能對節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的傳力機(jī)理提出具有說服力的、權(quán)威的分析模型，也未能在一個(gè)合理模型的基礎(chǔ)上提出一種能更準(zhǔn)確反映梁柱節(jié)點(diǎn)在各種受力情況下受力特征的設(shè)計(jì)理論。由此表明，當(dāng)時(shí)一些知名的研究者已經(jīng)認(rèn)識到，上述新西蘭規(guī)范和美國 ACI 352 委員會設(shè)計(jì)建議所提出的兩種節(jié)點(diǎn)受力模型只是從局部上反映出節(jié)點(diǎn)的受力特征，遠(yuǎn)沒有達(dá)到全面說明節(jié)點(diǎn)在各種復(fù)雜受力條件下的受力特點(diǎn)。二十世紀(jì)八十年代中后期，日本東京大學(xué)的北山和宏、小谷俊介和青山博之等學(xué)者的試驗(yàn)研究得出“約束機(jī)制”的存在。在我國，從二十世紀(jì)八十年代中期到九十年代中期，重慶建筑大學(xué)的傅劍平和白紹良教授在總結(jié)國內(nèi)外歷年來許多試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，全面分析了框架節(jié)點(diǎn)中的傳力機(jī)理，并結(jié)合他們在節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究中的成果，驗(yàn)證了除“斜壓桿機(jī)制”和“桁架機(jī)制”外還存在“約束機(jī)制” [4][5][7]的這一結(jié)論?！凹s束機(jī)制”由節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土與約束核心區(qū)混凝土的箍筋相互作用而構(gòu)成。 “約束機(jī)制”雖然不直接參與節(jié)點(diǎn)剪力的傳遞，但它卻是使節(jié)點(diǎn)的抗剪性能持續(xù)到最大，使組合體達(dá)到更大變形時(shí)所不可或缺的一個(gè)重要前提條件，因此，它是保證節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗震性能得到充分發(fā)揮的關(guān)鍵。 節(jié)點(diǎn)剪切變形研究的目的和意義在以往的很長時(shí)間里，由于條件所限以及人們對框架節(jié)點(diǎn)破壞的忽視，在各國設(shè)計(jì)規(guī)范中并沒有針對節(jié)點(diǎn)做出規(guī)定，因此，以前對節(jié)點(diǎn)的認(rèn)識只處在初級階段。大約自六十年代以來，鋼筋混凝土高層建筑發(fā)展很快，陸續(xù)出現(xiàn)了 20 層以上的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（或框 剪結(jié)構(gòu)） ，廣泛應(yīng)用了高強(qiáng)混凝土和大直徑的高強(qiáng)變形鋼筋，材料強(qiáng)度提高了，構(gòu)件截面尺寸減小了，因而節(jié)點(diǎn)區(qū)的截面尺寸也就減小了 [1]。除此之外，梁、柱構(gòu)件性能的研究也得到飛躍式進(jìn)步，改善了構(gòu)件的強(qiáng)度和延性。這樣，框架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)就轉(zhuǎn)移到梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域了。根據(jù)文獻(xiàn) [710]梁柱組合體試驗(yàn)中得出的組合體中梁、柱以及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)各自的變形曲線圖，計(jì)算出各個(gè)構(gòu)件變形所引起的組合體梁外端撓度占梁外端總撓度的比例(見表 所示) 。從表中可以看出：當(dāng)剪壓比偏大時(shí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形占梁外端位移的百分比能達(dá)到 30％左右，最大的能達(dá)到 50%左右。由于框架節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)傳力的樞紐，在地震作用下，框架節(jié)點(diǎn)承擔(dān)著相當(dāng)大的水平剪力(比柱子承擔(dān)的剪力要大 46 倍)，所以產(chǎn)生的剪切破壞一般是脆性的。節(jié)點(diǎn)同時(shí)又是結(jié)構(gòu)抗震相對薄弱的部位，節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度和耗能能力也都會由于地震反復(fù)荷載的持續(xù)作用而逐漸降低。因此，節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和必要的延性。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對節(jié)點(diǎn)的這一特點(diǎn)已進(jìn)行了一系列抗震框架節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究。近二十多年來，各種計(jì)算軟件用于結(jié)構(gòu)計(jì)算越來越普遍，相對于梁、柱等構(gòu)件的計(jì)算軟件而言，能用于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的強(qiáng)度計(jì)算軟件則發(fā)展比較滯后，由此造成一直以來計(jì)算軟件把節(jié)點(diǎn)當(dāng)做剛性體或者計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)剪力較小。直到 2022 年 3 月，國內(nèi)使用較普遍的 PKPM 軟件中才包含了梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力值的較準(zhǔn)確計(jì)算方法。而在以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中未對節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，忽略了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)強(qiáng)度和變形，這使得結(jié)構(gòu)存在著嚴(yán)重的安全評估問題和鑒定問題。表 節(jié)點(diǎn)剪變形 γ 引起的梁外端撓度占梁外端總撓度的比例 [710]延性系數(shù) (﹪)??試件名稱軸壓比 chbfN/剪壓比 cjfV/箍筋特征值 cyvsf/?=1??=2 =3 =4 =5?J1 10 16 4 14 2J2 12 7 5 3 J3 16 12 8 2 J5 16 26 6 22 J6 12 28 52 60 70J7 32 40 44 45 48J8 28 38 40 45 J9 18 30 40 36 J10 22 40 44 46 J12 19 18 20 32 48J13 15 20 25 32 38J15 12 24 37 32 44J16 21 20 24 36 32目前，此類問題廣泛存在于鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)（包括節(jié)點(diǎn)區(qū)相對薄弱的鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)） 。要達(dá)到“大震不倒”的目標(biāo)，其中最重要的手段是進(jìn)行罕遇地震下結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程響應(yīng)分析或靜力彈塑性推覆（Pushover ）分析，但就目前的計(jì)算軟件來看，很少考慮鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)在罕遇地震下變形導(dǎo)致的強(qiáng)度退化甚至破壞的因素。綜上所述，鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)存在著節(jié)點(diǎn)變形、強(qiáng)度退化等問題，在一定程度上影響著整體結(jié)構(gòu)的性能。因此，這就需要一種能綜合考慮節(jié)點(diǎn)剪切變形的節(jié)點(diǎn)模型，從而對整體結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行更加有效的分析。 目前節(jié)點(diǎn)研究存在的問題 [1][10]從二十世紀(jì)七十年代到現(xiàn)在為止，很多的國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了多次節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究，取得了不少研究成果，但依然面臨如下一些需要研究和解決的問題：1．目前，在對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)有限元分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，往往把節(jié)點(diǎn)看作是剛性的而忽略了節(jié)點(diǎn)變形的影響，這就造成了分析結(jié)果準(zhǔn)確性的大大降低。實(shí)際上，在地震反復(fù)荷載作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性變形階段后，節(jié)點(diǎn)的變形會對整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響?，F(xiàn)在要考慮節(jié)點(diǎn)變形對整體結(jié)構(gòu)的影響，主要采用的是梁端塑性鉸法，它的主要方法思想是對連接梁單元進(jìn)行剛度修正。但是由于節(jié)點(diǎn)受力的復(fù)雜性，此方法的分析結(jié)果存在較大誤差。2．影響節(jié)點(diǎn)變形的因素有很多，利用現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，只是有側(cè)重地考慮了其中的一部分因素，而忽略了另一部分因素。例如假設(shè)節(jié)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度滿足要求，而忽略節(jié)點(diǎn)剪切變形的影響。但實(shí)際上節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的剪力增大到一定程度會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)剪切裂縫，造成節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的迅速下降和剛度的迅速退化。如不加考慮會導(dǎo)致計(jì)算所得出的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和剛度高于實(shí)際情況，這樣會使結(jié)構(gòu)不安全，同時(shí)也使節(jié)點(diǎn)的剪切破壞被當(dāng)作其它破壞形式來處理。因此我們需要詳細(xì)地區(qū)分節(jié)點(diǎn)的各類破壞形式與破壞特征，提出一種能綜合考慮各種影響因素、反映節(jié)點(diǎn)不同破壞形式的統(tǒng)一的分析模型，以便我們能得到比較準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)力與變形關(guān)系。 本文研究的主要問題和所采用的方法由于節(jié)點(diǎn)本身受力特征非常復(fù)雜，目前對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)