楊曉東

（煙臺(tái)市黃海建筑工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)的受力情況比較復(fù)雜，并且施工也較為困難，屬于建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位。根據(jù)對(duì)大量的震害進(jìn)行研究，結(jié)果表明，框架節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)抗震中較為薄弱的環(huán)節(jié)。因此，必須重視框架節(jié)點(diǎn)的抗震能力。本文就預(yù)應(yīng)力混凝土空間節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行研究，僅供參考。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土的原理和優(yōu)點(diǎn)

1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的原理

預(yù)應(yīng)力是在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件使用前施加的永久性應(yīng)力，主要是為了改善結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在某些使用條件下的工作性能和提高其強(qiáng)度?；炷潦且环N抗拉強(qiáng)度較低、抗壓強(qiáng)度較高的脆性結(jié)構(gòu)材料。為了防止混凝土結(jié)構(gòu)由于抗拉強(qiáng)度低導(dǎo)致過早出現(xiàn)裂縫和變形，需在結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受外荷載之前，對(duì)其預(yù)先施加一定的壓力，由此產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力能夠部分或全部抵消由外荷載造成的拉應(yīng)力，從而使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拉應(yīng)力減小，即借助混凝土較高的抗壓能力來彌補(bǔ)其抗拉能力的不足，這就是預(yù)應(yīng)力混凝土。

1.2 預(yù)應(yīng)力混凝土的優(yōu)點(diǎn)

與鋼筋混凝土相比，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)越性：

能夠提高構(gòu)件的抗裂度、抗?jié)B性，改善結(jié)構(gòu)的受力性能。由于在構(gòu)件的受拉區(qū)預(yù)先施加了預(yù)壓應(yīng)力，在荷載作用下，拉區(qū)的拉應(yīng)力會(huì)隨之減小，從而使裂縫的出現(xiàn)得以推遲，同時(shí)還可以限制裂縫的寬度，提高了構(gòu)件的抗裂度。結(jié)構(gòu)的抗裂度得到了提高，使結(jié)構(gòu)的受力性能也得到改善，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗侵蝕和抗?jié)B能力。

能夠提高構(gòu)件的剛度，減小構(gòu)件變形。一方面，由于預(yù)應(yīng)力推遲了裂縫的出現(xiàn)并限制了裂縫的寬度，致使構(gòu)件的剛度削弱較小，變形也會(huì)隨之減小；另一方面，由于預(yù)壓應(yīng)力引起構(gòu)件反拱，可以抵消一些使用階段由外荷載產(chǎn)生的繞度，構(gòu)件的實(shí)際繞度也相應(yīng)減小。通過計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果得知，預(yù)應(yīng)力混凝土在短期荷載作用下的繞度一般僅為非預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的50%左右。因此，預(yù)應(yīng)力混凝土能夠滿足剛度要求。

節(jié)約材料，降低成本。由于預(yù)加應(yīng)力使結(jié)構(gòu)的抗裂度和剛度有所提高，從而減小了構(gòu)件的截面尺寸，節(jié)約了混凝土的用量。另外，使鋼筋的作用得到充分發(fā)揮，一些高強(qiáng)度的材料得到有效的使用，減少了鋼筋構(gòu)造，使鋼材的用量也隨之減少，工程成本也隨之降低。使用預(yù)應(yīng)力混凝土的工程，一般可以節(jié)約混凝土40%左右，節(jié)約鋼材50%左右。

應(yīng)用范圍廣。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)由于提高了抗裂度和剛度，可以采用高強(qiáng)鋼材，結(jié)構(gòu)自重減小，使其應(yīng)用范圍擴(kuò)大。

預(yù)加應(yīng)力有利于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的推廣。通過預(yù)應(yīng)力筋可以將小塊構(gòu)件拼裝成整體構(gòu)件，從而為大型預(yù)制整體預(yù)應(yīng)力建筑提供了在工廠預(yù)制的可能性。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土空間節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

在地震作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)需經(jīng)受很大的水平剪力，通常會(huì)產(chǎn)生剪切脆性破壞。另外，由于反復(fù)荷載的作用致使混凝土中的鋼筋粘結(jié)退化，節(jié)點(diǎn)區(qū)很容易發(fā)生鋼筋錨固破壞，從而使節(jié)點(diǎn)的剛度和強(qiáng)度等出現(xiàn)下降。我國現(xiàn)行的抗震規(guī)范中對(duì)混凝框架結(jié)構(gòu)的要求，可大致概括為“強(qiáng)柱、弱梁、剛節(jié)點(diǎn)”，即當(dāng)梁內(nèi)的縱筋受力屈服時(shí)，柱筋處于彈塑性狀態(tài)，而節(jié)點(diǎn)則處于彈性階段，因此，可以說抗震規(guī)范中對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震要求是非常高的。

2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)的破壞過程

預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)在水平荷載作用下的受力情況如圖1所示。框架節(jié)點(diǎn)上下柱端和左右兩側(cè)梁端作用的彎矩符號(hào)是相反的，致使節(jié)點(diǎn)的核心區(qū)承受較大的水平和豎向剪力的共同作用，十分容易產(chǎn)生剪切破壞。

圖1 節(jié)點(diǎn)受力示意圖

在水平荷載的作用下，由于混凝土框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受到斜向壓力和斜向拉力的共同作用，一旦斜向拉力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生斜裂縫。當(dāng)水平荷載反向作用時(shí)，則會(huì)在另一方想產(chǎn)生斜裂縫，從而導(dǎo)致形成交叉裂縫，此時(shí)核心區(qū)混凝土的剛度及其承載能力會(huì)逐漸下降。梁內(nèi)的縱向鋼筋在節(jié)點(diǎn)一側(cè)受壓力作用，另一側(cè)受拉力作用，此時(shí)的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)會(huì)產(chǎn)生較高的粘結(jié)應(yīng)力，同時(shí)伴隨著彎矩的不斷增加，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土?xí)a(chǎn)生較寬的裂縫甚至破碎，并且粘結(jié)力也會(huì)慢慢喪失，鋼筋逐漸出現(xiàn)滑移。當(dāng)節(jié)點(diǎn)受壓區(qū)的粘結(jié)力基本喪失時(shí)，梁筋的粘結(jié)錨固會(huì)被破壞，此時(shí)梁相對(duì)柱會(huì)出現(xiàn)較大程度的轉(zhuǎn)動(dòng)，伴隨著框架節(jié)點(diǎn)剛度的不斷下降，則會(huì)產(chǎn)生大量的側(cè)向位移，同時(shí)柱的抗彎承載力也會(huì)隨之降低。

在預(yù)應(yīng)力混凝土配筋正常的前提下，框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受力過程一般會(huì)經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：

初裂階段?；炷猎谒郊虞d的作用下，當(dāng)核心區(qū)出現(xiàn)第一條斜裂縫時(shí)，此時(shí)的水平箍筋應(yīng)力較小，框架節(jié)點(diǎn)也基本上處于彈性工作階段，建立主要還是由核心區(qū)的混凝土承擔(dān)。

通裂階段。當(dāng)核心區(qū)的對(duì)角線出現(xiàn)主斜裂縫時(shí)，此時(shí)的水平箍筋應(yīng)力會(huì)快速增長(zhǎng)，而中部箍筋大多數(shù)出現(xiàn)屈服，從而導(dǎo)致框架節(jié)點(diǎn)的剛度明顯下降，進(jìn)入彈塑性階段。

極限階段。當(dāng)核心區(qū)的剪切變形發(fā)生成倍增加時(shí)，混凝土保護(hù)層則開始出現(xiàn)大面積剝落，此時(shí)的水平箍筋則處于完全屈服狀態(tài)，抗剪承載力也會(huì)相應(yīng)的達(dá)到最大值。

破壞階段。當(dāng)核心區(qū)的混凝土發(fā)生大塊剝落時(shí)，變形會(huì)不斷增加，此時(shí)的混凝土承載力大幅下降，致使混凝土被壓碎。

2.2 預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)受力特征

下面對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁柱組合體的三種失效方式進(jìn)行分析：

根據(jù)梁、柱端節(jié)點(diǎn)抗剪承載力和正截面承載力的強(qiáng)弱，該組合體將有可能出現(xiàn)以下三種比較典型的失效方式：

在梁端或柱端的受拉鋼筋屈服前，節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)剪切失效或剪切破壞。

在梁端或柱端的受拉鋼筋屈服到完全喪失正截面承載力之間，隨著梁柱組合體交替變形的不斷增大，節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)剪切失效或剪切破壞。

在梁端或柱端的受拉鋼筋屈服后，隨著梁柱組合體交替變形的不斷增大，梁端或柱端的塑性鉸充分轉(zhuǎn)動(dòng)，致使梁端或柱端的正截面承載力完全喪失。在這一過程中，節(jié)點(diǎn)未發(fā)生剪切破壞或剪切失效。

通過對(duì)上述的三種失效方式進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：在第一種失效方式下，框架無法達(dá)到預(yù)期的抗震水平，并且節(jié)點(diǎn)的延性很差，因此，這類失效方式不符合抗震要求；第二種失效狀態(tài)下，只要剪切破壞發(fā)生在框架層間，則仍可以滿足抗震要求；第三種失效方式下，梁端或柱端的塑性鉸區(qū)的延性和耗能性能可以得到充分發(fā)揮，如果節(jié)點(diǎn)的開裂在梁端或柱端屈服后的變形過程中也不會(huì)給框架的層問剛度和耗能性能帶來明顯不利的影響，則框架抗震性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于前兩種失效方式。

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