【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 行地震反應(yīng)分析時(shí)，往往把節(jié)點(diǎn)看作是剛性的，在整個(gè)結(jié)構(gòu)受力過(guò)程中認(rèn)為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不會(huì)發(fā)生破壞，從而忽略節(jié)點(diǎn)變形的影響。實(shí)際上，對(duì)于鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)而言，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性變形階段時(shí)，節(jié)點(diǎn)變形的影響會(huì)很大。如果在設(shè)計(jì)中對(duì)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和承載力不進(jìn)行計(jì)算，在地震作用下會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體變形過(guò)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(diǎn)的變形。通過(guò)以往的震害調(diào)查和試驗(yàn)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(diǎn)變形所引起的部分占有相當(dāng)?shù)谋壤^對(duì)不容忽視。因此，節(jié)點(diǎn)的變形所產(chǎn)生的影響要引起我們足夠的重視。節(jié)點(diǎn)的變形主要由兩部分組成：節(jié)點(diǎn)的剪切變形和梁縱筋的粘結(jié)滑移變形。由于節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn)的復(fù)雜性和篇幅的限制，因此，本文在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)抗剪機(jī)理分析時(shí)，主要考慮軸壓比、剪壓比和配箍特征值三個(gè)因素對(duì)節(jié)點(diǎn)剪切變形的影響。本文首先對(duì)以上三種影響因素進(jìn)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(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)單元來(lái)加以考慮。與以往的分析方法相比，采用節(jié)點(diǎn)單元法并不需Comment [U2]: 改為“已有研究資料Comment [U3]: 刪去要對(duì)連接梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠冗M(jìn)行修正，只是獨(dú)立對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，并可以實(shí)現(xiàn)把節(jié)點(diǎn)單元引入目前使用的剛性節(jié)點(diǎn)框架分析程序中來(lái)考慮各種影響節(jié)點(diǎn)變形的因素。由于節(jié)點(diǎn)受力的復(fù)雜性和條件所限，本文主要研究的是節(jié)點(diǎn)的剪切變形，至于節(jié)點(diǎn)鋼筋的粘結(jié)滑移變形所引起的節(jié)點(diǎn)變形未進(jìn)行分析。當(dāng)貫穿節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的梁、柱縱筋直徑占貫穿長(zhǎng)度的比例大于一定值（例如：1/20）時(shí)，粘結(jié)滑移變形可以通過(guò)增大節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形（或降低節(jié)點(diǎn)單元剪切剛度）的方法來(lái)近似考慮。本文在參考許多的試驗(yàn)研究及學(xué)術(shù)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，建立了符合節(jié)點(diǎn)實(shí)際的節(jié)點(diǎn)剪力（V） 剪切角（ γ）之間的滯回關(guān)系曲線。對(duì)恢復(fù)力曲線的主要參數(shù)進(jìn)行了分析和定義，在此基礎(chǔ)上借助 SAP2022為分析平臺(tái)，應(yīng)用該軟件非線性分析功能模塊，對(duì)考慮節(jié)點(diǎn)剪切變形的框架進(jìn)行地震反應(yīng)分析，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，得到了考慮節(jié)點(diǎn)剪切變形框架的頂部時(shí)程曲線，并通過(guò)改變參數(shù)對(duì)影響節(jié)點(diǎn)剪切變形的因素進(jìn)行深入分析。通過(guò)對(duì)考慮框架節(jié)點(diǎn)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(jì)算結(jié)果更加符合工程實(shí)際，使其具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。第二章 框架節(jié)點(diǎn)抗剪機(jī)理 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力傳遞機(jī)制 [4][10]框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)在開(kāi)裂、通裂、極限和破壞四個(gè)階段的受力破壞過(guò)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(jī)制：斜壓桿機(jī)制、桁架機(jī)制、約束機(jī)制、組合塊體機(jī)制和剪摩擦機(jī)制等。梁柱節(jié)點(diǎn)中的“桁架機(jī)制”和“斜壓桿機(jī)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(diǎn)的梁筋和柱筋把很大一部分力通過(guò)粘結(jié)效應(yīng)以周邊“剪流”(shear flow)的形式傳入節(jié)點(diǎn)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)核心區(qū)混凝土來(lái)承擔(dān)剪力場(chǎng)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(huì)由核心區(qū)水平箍筋和節(jié)點(diǎn)柱縱筋共同承擔(dān)，由此形成了“桁架機(jī)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(diǎn)邊緣的壓力，也有很大一部分在節(jié)點(diǎn)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(lái)承擔(dān)，此現(xiàn)象所形成的機(jī)構(gòu)稱為“斜壓桿機(jī)制” 。美國(guó) ACI 352 委員會(huì)主張的“約束模型 ”，或稱“柱模型” ，即認(rèn)為可以把節(jié)點(diǎn)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(diǎn)按照柱端的做法，只要使節(jié)點(diǎn)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(diǎn)區(qū)的抗震性能。依據(jù)這種理論，美國(guó) ACI 318 規(guī)范和 ACI 352 委員會(huì)提出的設(shè)計(jì)方法不進(jìn)行節(jié)點(diǎn)抗剪計(jì)算，而只從構(gòu)造方面確定箍筋的配箍率。(1)斜壓桿機(jī)制在核心區(qū)受力的彈性階段，核心區(qū)沿對(duì)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(duì)角壓力區(qū)，這可說(shuō)明斜壓桿的存在。在這個(gè)階段中，混凝土并沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂，核心區(qū)中箍筋承受的力也很小。此時(shí)主要由混凝土來(lái)承擔(dān)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪力，即沿核心區(qū)對(duì)角線方向的壓力，由虛擬的沿對(duì)角線方向的“混凝土斜壓桿”來(lái)承擔(dān)，這就是“混凝土斜壓桿機(jī)制” 。當(dāng)核心區(qū)沒(méi)有配置箍筋或箍筋不發(fā)揮作用時(shí)，節(jié)點(diǎn)的承載力則由節(jié)點(diǎn)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(diǎn)核心區(qū)未出現(xiàn)嚴(yán)重破壞的結(jié)構(gòu)中，如圖 (a)所示。根據(jù)斜壓桿機(jī)制，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪強(qiáng)度值的計(jì)算式可取為（此即為混凝土斜壓桿抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(jì)算寬度。? CVcbbCVc ?? (a）斜壓桿機(jī)制 (b)桁架機(jī)制圖 節(jié)點(diǎn)受力機(jī)制(2)桁架機(jī)制當(dāng)柱端配有較密的的垂直鋼筋并且節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配有水平箍筋時(shí)，在反復(fù)荷載作用下，當(dāng)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)比較大的剪力時(shí)，核心區(qū)會(huì)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(gè)虛擬的桁架機(jī)構(gòu)來(lái)承擔(dān)。如圖 (b)所示。節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jī)制稱之為“桁架機(jī)制” 。按照這種機(jī)制，混凝土強(qiáng)度、柱軸力、水平箍筋和垂直箍筋是影響節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪強(qiáng)度的主要因素。此時(shí)，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(diǎn)水平剪力求出水平箍筋，由節(jié)點(diǎn)垂直剪力求出垂直箍筋的量。桁架機(jī)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(huì)隨著柱子軸壓比的增大和斜壓柱區(qū)域的不斷擴(kuò)大，其值也隨之增大，發(fā)展到最后整個(gè)核心區(qū)幾乎都會(huì)受壓。與此同時(shí)，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(dòng)，最后在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)對(duì)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(gè)角部。當(dāng)作用于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪力值達(dá)到其抗剪極限值的 60%～70%時(shí)，就會(huì)在核心區(qū)產(chǎn)生很大的沿對(duì)角線方向的拉力和壓力。此時(shí)，核心區(qū)混凝土出現(xiàn)沿對(duì)角線的貫通裂縫，個(gè)別箍筋也會(huì)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(diǎn)的抗剪強(qiáng)度顯著下降，此時(shí)節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入通裂階段。不斷施加反復(fù)荷載直到梁中縱筋屈服時(shí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土出現(xiàn)多條相互平行的沿對(duì)角線的通長(zhǎng)裂縫。與此同時(shí)，核心區(qū)的水平箍筋承擔(dān)的剪力逐漸增大，箍筋會(huì)逐漸屈服。雖然斜壓桿機(jī)制和桁架機(jī)制的傳力原理比較明確，但對(duì)這兩種傳力機(jī)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)支桿模型”，利用這一模型可在已知節(jié)點(diǎn)周邊梁、柱端正截面受力狀況的前提下，確定梁端為對(duì)稱配筋或不對(duì)稱配筋時(shí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以上兩類傳力機(jī)制分別分擔(dān)的節(jié)點(diǎn)剪力的比例。(3)約束機(jī)制近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者認(rèn)識(shí)到如果不考慮節(jié)點(diǎn)水平箍筋約束作用對(duì)核心區(qū)混凝土受斜壓所發(fā)揮的重要作用，就將無(wú)法揭示水平箍筋各肢的應(yīng)變隨應(yīng)力增長(zhǎng)的規(guī)律。因而，他們認(rèn)為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)除存在著斜壓桿機(jī)構(gòu)和桁架機(jī)制外，還存在著另一種不可忽視的機(jī)制“ 約束機(jī)制” （） 。約束機(jī)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(kāi)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(yàn)證這種機(jī)構(gòu)的存在，他們通過(guò)測(cè)定平行加載方向的節(jié)點(diǎn)箍筋的應(yīng)變變化規(guī)律，在試件設(shè)計(jì)中，他們將節(jié)點(diǎn)核心區(qū)兩個(gè)方向的箍筋按單肢進(jìn)行設(shè)置，最終得出了試驗(yàn)結(jié)論：平行于加載方向的箍筋不僅要承擔(dān)由桁架機(jī)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(dòng)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(dòng)約束力。由此證明了約束機(jī)制的存在。約束機(jī)制雖然不直接參與節(jié)點(diǎn)抗剪，但卻是自始至終存在的，是節(jié)點(diǎn)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(diǎn)受力機(jī)制。此后，在我國(guó)許多學(xué)者根據(jù)他們所做的梁柱組合體試驗(yàn)，并結(jié)合先前他人的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，也證實(shí)了約束機(jī)制的存在，并進(jìn)一步豐富了該機(jī)制在節(jié)點(diǎn)抗剪各階段的作用與規(guī)律，并得出了相應(yīng)的結(jié)論。約束機(jī)制雖然不直接參與傳遞節(jié)點(diǎn)剪力，但卻是使節(jié)點(diǎn)抗剪能力能夠達(dá)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(guó) ACI 352 委員會(huì)主張的“約束模型” ，或稱“柱模型” 。即認(rèn)為可以把節(jié)點(diǎn)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(diǎn)配箍率的合理，即約束混凝土的力達(dá)到一定水平，就可以保證節(jié)點(diǎn)區(qū)的抗震性能。根據(jù)這種觀點(diǎn)，美國(guó) ACI 318 規(guī)范和 ACI 352 委員會(huì)提出的設(shè)計(jì)方法不進(jìn)行節(jié)點(diǎn)抗剪計(jì)算，而只從構(gòu)造方面計(jì)算箍筋量。圖 約束機(jī)制 圖 斜壓桿－拉桿模型(4)組合塊體機(jī)制我國(guó)框架節(jié)點(diǎn)專題組通過(guò)大量的試驗(yàn)研究認(rèn)為：混凝土斜壓桿機(jī)制、桁架機(jī)制分別存在于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的彈性階段和通裂階段；而從開(kāi)裂直至最后破壞這個(gè)階段，其相應(yīng)的剪力由組合塊體機(jī)制來(lái)傳遞。在低周反復(fù)荷載作用下，當(dāng)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)兩邊的梁縱筋進(jìn)入屈服強(qiáng)化階段后，核心區(qū)縱筋產(chǎn)生滑移。此時(shí)核心區(qū)剪力一部分通過(guò)梁與節(jié)點(diǎn)核心區(qū)交界面混凝土裂縫閉合后的局部擠壓力來(lái)傳遞，繼續(xù)增大反復(fù)荷載，核心區(qū)沿對(duì)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(zhǎng)，混凝土沿裂縫相互錯(cuò)動(dòng)，使得裂縫不再能全部閉合，此時(shí)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(jī)制()，核心區(qū)進(jìn)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(lái)承受，箍筋和柱縱筋除了承擔(dān)斜拉力，在受拉裂縫上還利用銷鍵作用來(lái)抵抗塊體間的剪切滑移。試驗(yàn)表明，在破裂階段，配箍合理的核心區(qū)組合塊體機(jī)制有良好的承載能力，但節(jié)點(diǎn)的剛度逐漸下降，殘余變形增大，混凝土保護(hù)層也逐漸脫落。若再繼續(xù)加載，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)核心區(qū)承載能力明顯下降，最后導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞。圖 組合塊體機(jī)制(5)剪摩擦機(jī)制剪摩擦機(jī)制適用于核心區(qū)箍筋達(dá)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(jié)滑移的情況。如圖 所示。剪力增大使核心區(qū)出現(xiàn)沿對(duì)角線方向的斜裂縫，斜裂縫將核心區(qū)分成兩個(gè)區(qū)域。隨著裂縫寬度的增大，兩個(gè)區(qū)域會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，此時(shí)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(diǎn)的所受的剪力由兩部分承擔(dān)：一部分是由與裂縫相交的箍筋來(lái)承擔(dān)，另一部分是在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的對(duì)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(diǎn)的梁端彎矩； hco—柱截面有效計(jì)算高度； hbo—梁截面有效高度。 TV圖 剪摩擦機(jī)制 鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)剪切變形的影響因素 [1][3][10][11]研究表明 [13]，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土在斜向拉壓力的作用下，造成了節(jié)點(diǎn)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(lái)分析一下影響節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形的因素。其有以下幾個(gè)：節(jié)點(diǎn)幾何尺寸、軸壓比、剪壓比、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、節(jié)點(diǎn)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(gè)因素：（1）剪壓比（ ）對(duì)節(jié)點(diǎn)剪切變形的影響jcjcbhfVf??其中：—節(jié)點(diǎn)內(nèi)剪力作用的大小；j—節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度；cf—節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土的截面寬度和高度。jjhb、目前關(guān)于節(jié)點(diǎn)性能的試驗(yàn)一般是取組合體進(jìn)行研究，所謂組合體是指節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果是通過(guò)梁外伸端的撓度變形來(lái)體現(xiàn)的。該撓度主要包括以下四部分的內(nèi)容：①節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形所導(dǎo)致的梁段剛體轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生梁端撓度變形；②梁段自身的彎曲所導(dǎo)致的梁端撓度變形；③梁段自身的剪切變形所導(dǎo)致的梁端撓度變形；④柱段自身的彎曲和剪切變形所導(dǎo)致的梁端撓度變形。表 剪壓比對(duì)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(yàn)平均剪切變形 和剪壓比大于等于 的試件的試?驗(yàn)平均剪切變形 ，以此反映剪壓比對(duì)剪切變形量的影響。?對(duì)表 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合文獻(xiàn)[7][8][10]中的梁柱組合體試驗(yàn)的數(shù)據(jù)(見(jiàn)表)，可以得出節(jié)點(diǎn)剪切變形所占梁外端總撓度變形比例的變化趨勢(shì)，可總結(jié)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(dá)jcjbhfV到較大數(shù)值時(shí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土才有一定損傷。也就是說(shuō)有一些試件在加載終止時(shí)核心區(qū)混凝土的破壞也只是輕微的。在此類試件中，當(dāng) =1 時(shí)，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