【文章內(nèi)容簡介】 對 節(jié)點強度 進行 計算 ，忽略了 節(jié)點核心區(qū)強度和變形 ，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。 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 表 節(jié)點剪變形 γ引起的梁外端撓度占梁外端總撓度的比例 [710] 試件 名稱 軸壓比 ccc hbfN/ 剪壓比 cccj hbfV / 箍筋特 征值 cyvsv ff /? 延性系數(shù) ?? (﹪ ) ?? =1 ?? =2 ?? =3 ?? =4 ?? =5 J1 10 16 4 14 2 J2 12 7 5 3 J3 16 12 8 2 J5 16 26 6 22 J6 12 28 52 60 70 J7 32 40 44 45 48 J8 28 38 40 45 J9 18 30 40 36 J10 22 40 44 46 J12 19 18 20 32 48 J13 15 20 25 32 38 J15 12 24 37 32 44 J16 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 （包括 節(jié)點區(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 是進行 罕遇地震下 結(jié)構(gòu) 的 彈塑性時程響應(yīng) 分析 或靜力彈塑性推覆（ Pushover） 分析 ，但 就 目前 的計算軟件來看， 很少 考慮 鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點 在 罕遇地震 下 變形導(dǎo)致的 強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)點核心區(qū)存在著節(jié)點 變形 、 強度 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 剪切變形的節(jié)點 模型 ， 從而 對整體結(jié)構(gòu)的抗震性能進行更加有效的分析。 目前節(jié)點研究存在的問題 [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)者進行 了 多次 節(jié)點 試驗研究，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： 第一章 緒論 6 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 過程 中， 往往把節(jié)點看作是剛性的而忽略了節(jié)點變形的影響，這就造成了分析結(jié)果準(zhǔn)確性的大大降低 。 實際上 ，在地震 反復(fù)荷載 作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)進入 彈塑性 變形階段 后 ，節(jié)點的變形 會 對 整體 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響 。 現(xiàn)在要 考慮節(jié)點變形 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 對連接梁單元進行剛度修正。但是由于節(jié)點受力的復(fù)雜性，此方法的分析結(jié)果 存在較大誤差。 2．影響 節(jié)點變形的因素有很多 ， 利用現(xiàn)有的節(jié)點分析模型進行結(jié)構(gòu)分析時，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 的 抗剪 強度滿足 要 求， 而 忽略節(jié)點剪切變形的影響。但實際上節(jié)點內(nèi)部 的剪力增大到一定程度會導(dǎo)致節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn) 剪切裂縫， 造成 節(jié)點強度 的迅速下降 和剛度的迅速 退化 。 如不加考慮會導(dǎo)致計 算所得出 的 節(jié)點 強度和剛度 高于實際情況 ， 這樣會使結(jié)構(gòu)不安全 ，同時也 使 節(jié)點 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 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)點本身受力 特征非常復(fù)雜 ，目前 對 框架結(jié)構(gòu)進行地震反應(yīng)分析時， 往往把節(jié)點看作是剛性的， 在整個結(jié)構(gòu)受力過程中 認(rèn)為節(jié)點 核心區(qū) 不 會 發(fā)生破壞， 從而忽略節(jié)點變形的影響 。 實際上 ，對于鋼筋混凝土框架節(jié)點而言 ， 當(dāng) 結(jié)構(gòu)進入 彈塑性 變形階段 時，節(jié)點變形的影響會很大。如果 在設(shè)計中對節(jié)點強度和承載力 不進行計算 ， 在地震作用下會導(dǎo)致 結(jié)構(gòu)的整體變形 過大和結(jié)構(gòu)的 抗震性能 降低 。 因此，在結(jié)構(gòu)分析中必須考慮節(jié)點的變形。 通過以往的 震害調(diào)查和試驗 結(jié)果 分析 不難 發(fā)現(xiàn) [3][10][11]， 框架結(jié)構(gòu)整體變形 中由 節(jié)點變形所引起的 部分占有相當(dāng)?shù)谋壤^對不容忽視 。因此，節(jié)點的變形所產(chǎn)生的影響 要引起我們足夠的重視 。 節(jié)點的變形主要由 兩部分組成： 節(jié)點的剪切變形和 梁縱筋的 粘結(jié)滑移變形 。 由 于 節(jié)點受力 特點的復(fù)雜性和篇幅的限制 ， 因此 ，本文在進行節(jié)點抗剪機理分析時， 主要考慮軸壓比、剪壓比和配箍特征值 三個因素 對節(jié)點剪切變形的影響。 本文 首先對 以上三種影響因素 進行分析 ， 然后 采用有限單元法， 在整體結(jié)構(gòu)分析中將節(jié)點作為節(jié)點單元來加以 考慮 。 與以往的分析方法相比， 采用節(jié)點單元法 并 不需要 對連接梁單元剛度 進行修正，只是獨立 對節(jié)點進行模擬分析，并可以 實現(xiàn)把 節(jié)點單元 引入長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 目前使用 的剛性 節(jié)點 框架分析程序中來考慮 各種影響 節(jié)點變形 的 因素。 由于節(jié)點受力的復(fù)雜性和條件所限， 本文 主要 研究 的 是 節(jié)點的剪切變形， 至于 節(jié)點鋼筋 的 粘結(jié)滑移變形所 引起 的 節(jié)點變形未進行分析。 當(dāng)貫穿節(jié)點核心區(qū)的梁、柱縱筋直徑 占 貫穿長度 的 比例大于一定值 （例如： 1/20）時， 粘結(jié)滑移變形 可以通過增大節(jié)點核心區(qū)剪切變形（ 或 降低節(jié)點單元剪切剛度）的方法來近似考慮。 本文在參考 許多的試驗研究及學(xué)術(shù)文獻(xiàn) 的 基礎(chǔ)上，建立 了 符合節(jié)點實際的 節(jié)點剪力（ V） 剪切角（ γ）之間的滯回 關(guān)系曲線 。對 恢復(fù)力 曲線的 主要 參數(shù)進行了 分析和定義 ，在此基礎(chǔ)上借助 SAP2020 為分析平臺，應(yīng)用 該 軟件 非線性分析 功能 模塊，對 考慮節(jié)點剪切變形的 框架進行 地震反應(yīng) 分析，根據(jù)有限元計算結(jié)果，得到了 考慮 節(jié)點 剪切變形 框架 的 頂部 時程 曲線 ，并通過改變參數(shù)對影響節(jié)點剪切變形的因素進行深入分析。 通 過對考慮框架 節(jié)點剪切變形的研究，能夠更加客觀的模擬并反應(yīng)框架結(jié)構(gòu)在 地震作用下的彈塑性反應(yīng)，使得計算結(jié)果更加符合工程實際，使其具有較高的工程應(yīng)用價值。 第二章 框架節(jié)點抗剪機理 8 第二章 框架節(jié)點抗剪機理 節(jié)點核心區(qū) 剪力傳遞機制 [4][10] 框架梁柱節(jié)點核心區(qū)在開裂、通裂 、 極限 和破壞 四 個階段的受力破壞過程中，其剪力的傳遞 在目前的研究中 主要 存在著 以下 幾 種機制：斜壓 桿機制、桁架機制、 約束機制 、組合塊體 機 制 和剪摩 擦 機 制 等 。 梁柱節(jié)點中的 “ 桁架機 制 ” 和 “ 斜壓桿機 制 ” 模型（圖 ）是在七十年代就由新西蘭的 T. Paulay 和 R. Park 提出。一 方面 ， 在梁端或柱端 由于受到壓力和拉力的共同作用， 貫穿節(jié)點的梁筋和柱筋 把 很大 一部分力 通過 粘結(jié)效應(yīng)以周邊 “ 剪流 ” (shear flow)的形式 傳 入節(jié)點， 此時 節(jié)點核心區(qū) 承受相應(yīng) 的 主拉應(yīng)力和 主 壓應(yīng)力的作用 ，使之形成了 典型的 “ 純剪 ” 狀態(tài) ，由節(jié)點核心區(qū)混凝土來承擔(dān) 剪力場所 形成 的斜向主壓應(yīng)力 。 在斜向主拉應(yīng)力作用下 ， 當(dāng)核心區(qū)混凝土 出現(xiàn) 沿斜向 裂縫 后，主拉應(yīng)力將 會 由 核心區(qū) 水平箍筋和節(jié)點 柱縱 筋 共同承 擔(dān)， 由此 形成了 “ 桁 架機 制 ” (truss mechanism)；另一方面，由梁端和 柱端受壓區(qū)混凝土傳 遞到 節(jié)點邊緣的壓力 ，也有 很大 一部分在節(jié)點中 轉(zhuǎn)化成 斜向壓力，由 一定寬度的斜向 核心區(qū)混凝土 柱來 承擔(dān)， 此現(xiàn)象所形成的機構(gòu) 稱為 “ 斜壓桿機 制 ” 。美國 ACI 352 委員會主張的 “ 約束模型 ” ，或稱 “ 柱模型 ” ， 即認(rèn)為可以把節(jié)點 核心 區(qū)看作 是 柱子中 剪力 作用 較大 一段 。因此，可以 把節(jié)點按照 柱端的做法，只要使節(jié)點中的箍筋 配置 達(dá)到 合理 的用量，即 “ 約束作用 ” 達(dá)到一定的水準(zhǔn)，就可以 充分發(fā)揮 節(jié)點區(qū)的抗震性能。 依據(jù)這種理論 ，美國 ACI 318 規(guī)范和 ACI 352 委員會 提出 的設(shè)計方法 不進行節(jié)點抗剪計算 ， 而 只從構(gòu)造 方面 確定箍筋 的配箍率 。 (1)斜壓 桿 機制 在核心區(qū) 受力的彈性階段，核心區(qū)沿對角線方向存在數(shù)條近似相互平行的主壓應(yīng)力等值線，從而構(gòu)成了對角壓力區(qū)，這可說明斜壓 桿 的存在。在這個階段中，混凝土并沒有發(fā)生開裂，核心區(qū)中箍筋承受的力也很小。 此時主要 由混凝土來承擔(dān) 節(jié)點核心區(qū)的剪力 ，即 沿 核心區(qū)對角線 方向的 壓力，由虛擬的沿對角線 方向 的 “ 混凝土斜壓 桿” 來承擔(dān)，這就是“ 混凝土斜壓 桿 機 制 ” 。 當(dāng)核心區(qū)沒有 配置 箍筋或箍筋 不發(fā)揮作用 時， 節(jié)點的 承載力 則由 節(jié)點 核心區(qū)混凝土的承載力決定 ，這種 情況 發(fā)生 在 梁、柱承載力較 小 而節(jié)點核心 區(qū) 未 出現(xiàn) 嚴(yán)重 破 壞的 結(jié)構(gòu)中 ，如圖 (a)所示。 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 根據(jù)斜壓桿 機 制 ， 節(jié)點核心區(qū) 抗剪強度 值的計算式 可取 為（ 此即為 混凝土斜壓桿 抗壓強度 極限值 的水平分量 ） ： ?? c o ???? cc bfV （ 21） 其 中： —考慮交叉裂縫 影響 的 混凝土強度降低系數(shù) ； cb —柱截面 的 寬度 ； ? —斜壓桿和水平 線 之間的夾角 ； ? —斜壓桿 的 等效 計算 寬度 。 C CV cV bV bC CV c ???????? (a）斜壓桿機 制 (b)桁架機 制 圖 節(jié)點受力機 制 (2)桁架機制 當(dāng) 柱端配有較密的的垂直鋼筋 并且 節(jié)點核心區(qū) 配 有水平箍筋時 ，在反復(fù)荷載作用下，當(dāng)節(jié)點承 擔(dān)比較 大的剪力 時， 核心區(qū) 會 出現(xiàn) 多條 斜 裂縫 ，混凝土 的 斜壓桿作用 減弱 ，絕 大部分剪力可假 設(shè) 由一個 虛擬的 桁 架機 構(gòu) 來承擔(dān)。如圖 (b)所示。 節(jié)點上的剪力分解成了與剪切裂縫平行的斜壓力、水平拉力和垂直拉力。 節(jié) 點核心區(qū)的 水平拉力 由 水平箍筋承擔(dān)， 垂直拉力 由柱的 垂直 縱 筋和 垂直箍筋 承擔(dān)， 斜壓力 由 斜裂縫 組成 的混凝土 柱(在箍筋約束下 )承擔(dān)， 這種 力的 平衡 機制 稱之為 “ 桁架 機 制 ” 。按照 這種 機 制 ， 混凝土 強度 、柱軸力、水平箍筋和垂直箍筋 是影響 節(jié)點核心區(qū) 抗剪強度 的主要因素 。此時，可 把柱軸力的影響 放 在混凝土抗剪能力中 加以體現(xiàn) ，然后 再 由節(jié)點水平剪力求出水平箍筋，第二章 框架節(jié)點抗剪機理 10 由節(jié)點垂直剪力求出垂直 箍筋 的量。 桁架機 制 形成 原理 是： 在其它條件不變的情況下，核心區(qū)的主壓應(yīng)力值會隨著柱子軸壓比的增大和斜壓柱區(qū)域的不斷擴大，其值也隨之增大，發(fā)展到最后整個核心區(qū)幾 乎都會受壓。與此同時，核心區(qū)主拉應(yīng)力跡線逐漸趨于平緩，且由主拉應(yīng)力引起的斜裂縫的發(fā)展方向也隨之變動，最后在節(jié)點核心區(qū)對角線兩端的主拉應(yīng)力逐漸增大，核心區(qū)中部的主拉應(yīng)力逐漸減小。因而 “ 八字形的裂縫 ” 可能首先出現(xiàn)在核心區(qū)的四個角部。當(dāng)作用于節(jié)點核心區(qū)的剪力值達(dá)到其抗剪極限值的 60%～ 70%時，就會在核心區(qū)產(chǎn)生很大的沿對角線方向的拉力和壓力。此時，核心區(qū)混凝土出現(xiàn)沿對角線的貫通裂縫，個別箍筋也會隨著應(yīng)力的突然增大而達(dá)到了屈服，從而導(dǎo)致節(jié)點的抗剪強度 顯著下降 ，此時節(jié)點就進入通裂階段。 不斷 施加反復(fù)荷載 直 到梁中縱筋屈服 時，節(jié)點核心區(qū)的混凝土出現(xiàn)多條 相互平行的 沿對角線的通長裂縫。 與此同時 ，核心區(qū)的 水平 箍筋 承擔(dān)的剪力逐漸增大 ， 箍筋會 逐漸 屈服 。 雖然斜壓桿機 制 和桁架機 制 的傳力原理比較明確，但對這兩種傳力機構(gòu)在節(jié)點不同受力階段的定量界定還不是很清楚。重慶大學(xué)的傅建平等提出了 “ 梁、柱簡支桿模型 ” ，利用這一模型可在已知節(jié)點周邊梁、柱端正截面受力狀況的前提下，確定梁端為對稱配筋或不對稱配筋時，節(jié)點核心區(qū)以上兩類傳力機 制 分別分擔(dān)的節(jié)點剪力的比例。 (3)約束機制 近年來 ，國內(nèi)外的 一些學(xué)者 認(rèn) 識到 如果不 考慮節(jié)點水平箍筋 約束作用 對核心區(qū)混凝土 受斜壓所 發(fā)揮的 重要 作用 ， 就將無法 揭示 水平箍筋各肢的應(yīng)變 隨應(yīng)力 增長 的 規(guī)律。因而， 他們認(rèn)為節(jié)點核心區(qū)除 存在著 斜壓桿機構(gòu)和桁架機 制 外 ， 還存在 著 另一種不可忽視的 機 制 “ 約束機 制 ” （如圖 ） 。 約束機 制 是由約束核心區(qū)混凝土的箍筋 與 被約束的核心區(qū)混凝土 兩者 相互作用所形成的結(jié)構(gòu)。 從 20世紀(jì) 80年代 中 后期 開始 ， 日本 著名學(xué)者 北山和宏、小谷俊介 以及 青山博之等 為了 驗證這種 機 構(gòu)的存在，他們通過測定平行加載方向的節(jié)點箍筋 的應(yīng)變 變化規(guī)律，在試件設(shè)計中，他們將節(jié)點核心區(qū)兩個方向的箍筋按單肢進行設(shè)置 ， 最終 得出了 試驗結(jié) 論 ： 平行于加載方向 的箍筋 不僅 要承 擔(dān) 由桁架機構(gòu)引起的拉力 ， 又要承受 核心區(qū) 混凝 土由于 斜向受壓 導(dǎo)致 橫向膨脹所引起的 被 動約束拉力 ； 與 加載方向 垂直 的箍筋承受斜向受壓混凝土橫向膨脹產(chǎn)生的被動約束力。由此 證明了約束機 制 的存在。約束機 制 雖然不直接參與節(jié)點