【文章內(nèi)容簡介】 行地震反應分析時，往往把節(jié)點看作是剛性的，在整個結構受力過程中認為節(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，當結構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，在地震作用下會導致結構的整體變形過大和結構的抗震性能降低。因此，在結構分析中必須考慮節(jié)點的變形。通過以往的震害調(diào)查和試驗結果分析不難發(fā)現(xiàn) [3][10][11]，框架結構整體變形中由節(jié)點變形所引起的部分占有相當?shù)谋壤?，絕對不容忽視。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滑移變形。由于節(jié)點受力特點的復雜性和篇幅的限制，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，在整體結構分析中將節(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Comment [U2]: 改為“已有研究資料Comment [U3]: 刪去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)點鋼筋的粘結滑移變形所引起的節(jié)點變形未進行分析。當貫穿節(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術文獻的基礎上，建立了符合節(jié)點實際的節(jié)點剪力（V） 剪切角（ γ）之間的滯回關系曲線。對恢復力曲線的主要參數(shù)進行了分析和定義，在此基礎上借助 SAP2022為分析平臺，應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分析，根據(jù)有限元計算結果，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框架結構在地震作用下的彈塑性反應，使得計算結果更加符合工程實際，使其具有較高的工程應用價值。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效應以周邊“剪流”(shear flow)的形式傳入節(jié)點，此時節(jié)點核心區(qū)承受相應的主拉應力和主壓應力的作用，使之形成了典型的“純剪”狀態(tài)，由節(jié)點核心區(qū)混凝土來承擔剪力場所形成的斜向主壓應力。在斜向主拉應力作用下，當核心區(qū)混凝土出現(xiàn)沿斜向裂縫后，主拉應力將會由核心區(qū)水平箍筋和節(jié)點柱縱筋共同承擔，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，此現(xiàn)象所形成的機構稱為“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)點中的箍筋配置達到合理的用量，即“約束作用”達到一定的水準，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 委員會提出的設計方法不進行節(jié)點抗剪計算，而只從構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力等值線，從而構成了對角壓力區(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，這就是“混凝土斜壓桿機制” 。當核心區(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)嚴重破壞的結構中，如圖 (a)所示。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）： （2?? ??cbfV1）其中： —考慮交叉裂縫影響的混凝土強度降低系數(shù)；—柱截面的寬度；cb—斜壓桿和水平線之間的夾角；?—斜壓桿的等效計算寬度。? CVcbbCVc ?? (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，在反復荷載作用下，當節(jié)點承擔比較大的剪力時，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由一個虛擬的桁架機構來承擔。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，垂直拉力由柱的垂直縱筋和垂直箍筋承擔，斜壓力由斜裂縫組成的混凝土柱( 在箍筋約束下) 承擔，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，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)主拉應力跡線逐漸趨于平緩，且由主拉應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力逐漸增大，核心區(qū)中部的主拉應力逐漸減小。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。當作用于節(jié)點核心區(qū)的剪力值達到其抗剪極限值的 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力的突然增大而達到了屈服，從而導致節(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)外的一些學者認識到如果不考慮節(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變隨應力增長的規(guī)律。因而，他們認為節(jié)點核心區(qū)除存在著斜壓桿機構和桁架機制外，還存在著另一種不可忽視的機制“ 約束機制” （） 。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構。從20世紀80年代中后期開始，日本著名學者北山和宏、小谷俊介以及青山博之等為了驗證這種機構的存在，他們通過測定平行加載方向的節(jié)點箍筋的應變變化規(guī)律，在試件設計中，他們將節(jié)點核心區(qū)兩個方向的箍筋按單肢進行設置，最終得出了試驗結論：平行于加載方向的箍筋不僅要承擔由桁架機構引起的拉力，又要承受核心區(qū)混凝土由于斜向受壓導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)點抗剪，但卻是自始至終存在的，是節(jié)點抗剪能力能夠維持到組合體更大變形而不至于立刻破壞所不可或缺的重要前提條件，也是保證接頭區(qū)充分發(fā)揮抗震性能的一種重要的節(jié)點受力機制。此后，在我國許多學者根據(jù)他們所做的梁柱組合體試驗，并結合先前他人的節(jié)點試驗，也證實了約束機制的存在，并進一步豐富了該機制在節(jié)點抗剪各階段的作用與規(guī)律，并得出了相應的結論。約束機制雖然不直接參與傳遞節(jié)點剪力，但卻是使節(jié)點抗剪能力能夠達到組合體更大變形而不至于立刻破壞所不可或缺的重要前提條件。另一類是在 J. K. Wight 教授主持下美國 ACI 352 委員會主張的“約束模型” ，或稱“柱模型” 。即認為可以把節(jié)點區(qū)看成是一段作用剪力較大的特殊的柱段，并建立了斜壓桿－拉桿模型（如圖 所示） 。因此，此種模型類似于柱端，只要保證節(jié)點配箍率的合理，即約束混凝土的力達到一定水平，就可以保證節(jié)點區(qū)的抗震性能。根據(jù)這種觀點，美國 ACI 318 規(guī)范和 ACI 352 委員會提出的設計方法不進行節(jié)點抗剪計算，而只從構造方面計算箍筋量。圖 約束機制 圖 斜壓桿－拉桿模型(4)組合塊體機制我國框架節(jié)點專題組通過大量的試驗研究認為：混凝土斜壓桿機制、桁架機制分別存在于節(jié)點核心區(qū)的彈性階段和通裂階段；而從開裂直至最后破壞這個階段，其相應的剪力由組合塊體機制來傳遞。在低周反復荷載作用下，當節(jié)點核心區(qū)兩邊的梁縱筋進入屈服強化階段后，核心區(qū)縱筋產(chǎn)生滑移。此時核心區(qū)剪力一部分通過梁與節(jié)點核心區(qū)交界面混凝土裂縫閉合后的局部擠壓力來傳遞，繼續(xù)增大反復荷載，核心區(qū)沿對角線方向的斜裂縫也隨之增大，且箍筋屈服使鋼筋不斷伸長，混凝土沿裂縫相互錯動，使得裂縫不再能全部閉合，此時核心區(qū)混凝土被交叉出現(xiàn)的斜裂縫分割成許多的菱形塊體，在橫向箍筋、縱向箍筋約束下以及軸壓力共同作用下，形成了組合塊體機制()，核心區(qū)進入破裂階段。在此階段，核心區(qū)斜壓力由混凝土塊體間受壓裂縫上的骨料咬合作用來承受，箍筋和柱縱筋除了承擔斜拉力，在受拉裂縫上還利用銷鍵作用來抵抗塊體間的剪切滑移。試驗表明，在破裂階段，配箍合理的核心區(qū)組合塊體機制有良好的承載能力，但節(jié)點的剛度逐漸下降，殘余變形增大，混凝土保護層也逐漸脫落。若再繼續(xù)加載，節(jié)點變形繼續(xù)增大，混凝土塊體由于被壓碎而喪失咬合作用，節(jié)點核心區(qū)承載能力明顯下降，最后導致節(jié)點破壞。圖 組合塊體機制(5)剪摩擦機制剪摩擦機制適用于核心區(qū)箍筋達到屈服、核心區(qū)混凝土發(fā)生剪切破壞，而梁縱筋未屈服且未發(fā)生粘結滑移的情況。如圖 所示。剪力增大使核心區(qū)出現(xiàn)沿對角線方向的斜裂縫，斜裂縫將核心區(qū)分成兩個區(qū)域。隨著裂縫寬度的增大，兩個區(qū)域會產(chǎn)生滑動摩擦，此時與裂縫相交的水平箍筋所受拉力逐漸增大直至屈服。節(jié)點的所受的剪力由兩部分承擔：一部分是由與裂縫相交的箍筋來承擔，另一部分是在節(jié)點核心區(qū)的對角處，由彎曲壓力下所產(chǎn)生的混凝土摩擦力，即： （2??????????????????????sboshyscobscj aAfahMNV?2）其中： —摩擦系數(shù)； N—柱軸壓力； Mb—臨近節(jié)點的梁端彎矩； hco—柱截面有效計算高度； hbo—梁截面有效高度。 TV圖 剪摩擦機制 鋼筋混凝土框架節(jié)點剪切變形的影響因素 [1][3][10][11]研究表明 [13]，節(jié)點核心區(qū)混凝土在斜向拉壓力的作用下，造成了節(jié)點核心區(qū)形狀的斜向變位，引起了剪切變形。下面我們主要來分析一下影響節(jié)點核心區(qū)剪切變形的因素。其有以下幾個：節(jié)點幾何尺寸、軸壓比、剪壓比、混凝土強度等級、節(jié)點配箍特征值、循環(huán)次數(shù)。本文主要分析剪壓比、軸壓比、配箍特征值三個因素：（1）剪壓比（ ）對節(jié)點剪切變形的影響jcjcbhfVf??其中：—節(jié)點內(nèi)剪力作用的大??；j—節(jié)點核心區(qū)混凝土的抗壓強度；cf—節(jié)點核心區(qū)混凝土的截面寬度和高度。jjhb、目前關于節(jié)點性能的試驗一般是取組合體進行研究，所謂組合體是指節(jié)點核心區(qū)和與其相連的梁端、柱端所組成的連接體，主要的實驗結果是通過梁外伸端的撓度變形來體現(xiàn)的。該撓度主要包括以下四部分的內(nèi)容：①節(jié)點核心區(qū)剪切變形所導致的梁段剛體轉(zhuǎn)動產(chǎn)生梁端撓度變形；②梁段自身的彎曲所導致的梁端撓度變形；③梁段自身的剪切變形所導致的梁端撓度變形；④柱段自身的彎曲和剪切變形所導致的梁端撓度變形。表 剪壓比對剪切變形的影響 [7] [10] 單位：度 延性系數(shù) ??剪壓比 cf?=1?=2??=3?=4??=5?≤ ＞ 注：表 給出了剪壓比小于 的試件的試驗平均剪切變形 和剪壓比大于等于 的試件的試?驗平均剪切變形 ，以此反映剪壓比對剪切變形量的影響。?對表 的數(shù)據(jù)進行分析，并結合文獻[7][8][10]中的梁柱組合體試驗的數(shù)據(jù)(見表)，可以得出節(jié)點剪切變形所占梁外端總撓度變形比例的變化趨勢，可總結為以下兩類情況：第一類是剪壓比（ ）偏小的試件。這類試件通常只有在位移延性系數(shù)達jcjbhfV到較大數(shù)值時，節(jié)點核心區(qū)混凝土才有一定損傷。也就是說有一些試件在加載終止時核心區(qū)混凝土的破壞也只是輕微的。在此類試件中，當 =1 時，與上一種情況相似，??梁外端總撓度主要是由梁段自身變形引