杜帥，秦乃兵，付海軍，劉俊英

(河北聯(lián)合大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北唐山 063000)

0 引言

節(jié)點(diǎn)是建筑結(jié)構(gòu)中不可分割的一部分，包括梁柱相交的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以及與之相連的梁端和柱端。在豎向荷載和地震作用中，框架節(jié)點(diǎn)要承受柱子傳來(lái)的軸向力、彎矩、剪力和梁傳來(lái)的彎矩、剪力的作用，受力比較復(fù)雜。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的破壞多集中于節(jié)點(diǎn)及其附近，節(jié)點(diǎn)破壞往往導(dǎo)致整個(gè)框架倒塌，后果十分嚴(yán)重。建筑結(jié)構(gòu)抗震的指導(dǎo)思想是“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，更強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”，節(jié)點(diǎn)是連接梁柱的樞紐區(qū)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部位。加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)區(qū)對(duì)提高結(jié)構(gòu)的整體性、可靠度以及抗震延性有舉足輕重的作用。

1 節(jié)點(diǎn)單元的理論分析

取索-混凝土組合梁跨度為12m，梁截面400mm×600mm，剛性撐桿的高度為500mm，得索-混凝土梁有限元的基本模型如圖1所示。

圖1 索-混凝土梁有限元模型

1.1 節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理

當(dāng)豎向荷載作用時(shí)，左、右梁端截面中的內(nèi)力所引起的節(jié)點(diǎn)剪力較小，但梁柱節(jié)點(diǎn)處，梁截面比較小，剪應(yīng)力較大，節(jié)點(diǎn)的受力較為不利;而當(dāng)水平地震反應(yīng)較大時(shí)，左、右梁端分別交替受正、負(fù)彎矩，節(jié)點(diǎn)受到的剪力作用比較大，對(duì)節(jié)點(diǎn)受力不利。所以，應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)在常規(guī)荷載和非常規(guī)荷載作用下的兩種受力情況給予分析。

框架節(jié)點(diǎn)也稱為節(jié)點(diǎn)域，包括:節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土以及與核芯區(qū)相連接的梁端和柱端。梁和柱承擔(dān)外部荷載，梁端和柱端將各種荷載傳遞到節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)。端部的截面尺寸和配筋情況直接影響核芯區(qū)的受力性能。目前較常見(jiàn)的三種節(jié)點(diǎn)抗剪受力機(jī)理為:斜壓桿機(jī)理、剪摩擦機(jī)理和桁架機(jī)理。

斜壓桿機(jī)理是當(dāng)節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土出現(xiàn)少量裂縫后，斜向桿狀混凝土塊承擔(dān)壓力。

剪摩擦機(jī)理是當(dāng)節(jié)點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)較多裂縫時(shí)，核芯區(qū)混凝土出現(xiàn)分塊現(xiàn)象。在柱子豎向荷載作用及箍筋的圍護(hù)作用下，各塊體之間形成巨大的摩擦力，并伴有輕微的滑移。這時(shí)，若節(jié)點(diǎn)受到側(cè)向作用，塊體之間的滑移加大，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞。

桁架機(jī)理是在梁端反復(fù)荷載及豎向荷載作用下，裂縫大量出現(xiàn)，混凝土壓碎外鼓，少量塊體脫落。剩下的骨架好比一個(gè)桁架，承擔(dān)豎向和側(cè)向荷載。再加上節(jié)點(diǎn)處有一根施加預(yù)應(yīng)力的鋼索，這使得桁架機(jī)理變得復(fù)雜。

1.2 節(jié)點(diǎn)失效方式

梁柱節(jié)點(diǎn)，在低周交變加載試驗(yàn)中，根據(jù)梁柱兩端正截面承載力和節(jié)點(diǎn)抗剪承載力的強(qiáng)弱，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)脆性破壞、平衡破壞和延性破壞三種失效方式。

脆性破壞由于梁柱端部配筋過(guò)多，鋼筋沒(méi)有屈服，而節(jié)點(diǎn)就已經(jīng)破壞，應(yīng)該避免。平衡破壞是在梁柱端部鋼筋屈服時(shí)，節(jié)點(diǎn)剛好破壞。這種情況對(duì)于抵抗地震沒(méi)有安全儲(chǔ)備，也應(yīng)適當(dāng)避免。延性破壞是鋼筋屈服后，隨著節(jié)點(diǎn)交替變形，端部形成塑性鉸，喪失正截面承載力，未發(fā)生剪切破壞。在地震作用下，延性破壞起到耗能作用。

所以，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，控制好混凝土強(qiáng)度和配筋率，盡量達(dá)到延性破壞要求。

1.3 節(jié)點(diǎn)的變形和延性

1)節(jié)點(diǎn)的變形

節(jié)點(diǎn)的變形包括梁柱桿件的彎曲變形和節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的變形。在外荷載作用下，梁的彎曲變形過(guò)大會(huì)影響到梁跨中撓度，若撓度過(guò)大，梁跨中底部產(chǎn)生裂縫，影響正常使用?？刂屏憾藦澢?，可以調(diào)整梁端配筋率，混凝土強(qiáng)度等。節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的變形會(huì)使滯回環(huán)變窄，耗能減小。減小核芯區(qū)的變形可以通過(guò)調(diào)整配箍率改善。

2)節(jié)點(diǎn)的延性

延性是反映結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或材料非彈性變形能力的一個(gè)度量指標(biāo)。是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能好壞的重要因素。節(jié)點(diǎn)在單調(diào)荷載作用下屈服時(shí)的變形為Δy，節(jié)點(diǎn)的最大允許變形為Δu。節(jié)點(diǎn)延性為最大允許變形與屈服變形之比。以μΔ表示。

對(duì)節(jié)點(diǎn)延性的要求，一方面指節(jié)點(diǎn)核芯區(qū);另一方面是指臨近核芯區(qū)的梁端和柱端。延性的大小直接影響結(jié)構(gòu)對(duì)地震作用耗能能力，對(duì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的破壞時(shí)間有重要作用。

2 節(jié)點(diǎn)基本模型

圖2給出了索-混凝土組合梁中間層邊節(jié)點(diǎn)模型。梁截面尺寸為400 mm×600 mm，柱端長(zhǎng)度各取1000 mm，截面尺寸為1000 mm×1000 mm，索初始應(yīng)變?yōu)?.0001，索截面積為706.5 mm2，梁柱縱筋為HRB400級(jí)鋼筋，箍筋為HPB235級(jí)鋼筋。梁底縱筋8根直徑32 mm，分兩排布置，梁頂縱筋8根直徑32 mm，分兩排布置，梁箍筋φ10@50，柱四個(gè)角處各布1根直徑25 mm縱筋，每側(cè)面布3根直徑22mm縱筋，柱箍筋φ8@100。

圖2 索-混凝土組合梁中間層邊節(jié)點(diǎn)模型

為便于觀察節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的配筋分布情況，在ANSYS軟件中選擇顯示鋼筋單元選項(xiàng)，得到的節(jié)點(diǎn)配筋，如圖3所示。

圖3 索-混凝土組合梁中間層邊節(jié)點(diǎn)配筋

3 各因素對(duì)節(jié)點(diǎn)靜力特性的影響

對(duì)于節(jié)點(diǎn)，分析其在靜荷載作用下的受力情況。節(jié)點(diǎn)包括節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土和梁端、柱端。邊節(jié)點(diǎn)有中間層邊節(jié)點(diǎn)和頂層邊節(jié)點(diǎn)之分，這里主要介紹中間層邊節(jié)點(diǎn)的受力分析。

3.1 材料強(qiáng)度

索-混凝土組合梁節(jié)點(diǎn)由混凝土、鋼筋和拉索組成。鋼筋和索的強(qiáng)度一般都已固定，所指材料強(qiáng)度是指混凝土的強(qiáng)度。在中間層邊節(jié)點(diǎn)模型中，梁箍筋為φ10@50，改變混凝土強(qiáng)度后，對(duì)索-混凝土組合梁節(jié)點(diǎn)的梁端施加集中荷載，其荷載位移關(guān)系如表1所示，荷載位移曲線如圖4所示。

表1 Y方向荷載位移關(guān)系表

圖4 Y方向荷載位移曲線

由圖4可見(jiàn)，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，相同荷載作用下，節(jié)點(diǎn)梁端的Y方向位移減小。說(shuō)明提高混凝土強(qiáng)度對(duì)減小梁撓度有利。但混凝土強(qiáng)度增大到一定程度之后，中間層邊節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生破壞。

3.2 梁箍筋配筋率

索-混凝土組合梁節(jié)點(diǎn)中，主要研究梁端的箍筋配筋率對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響。在中間層邊節(jié)點(diǎn)模型中，混凝土強(qiáng)度為C40，只改變梁箍筋配筋率，其它因素一致。通過(guò)對(duì)其梁端施加不同集中荷載，得到在不同配筋率情況下節(jié)點(diǎn)梁端的Y方向位移如表2所示，荷載位移曲線如圖5所示。

表2 Y方向荷載位移關(guān)系表

圖5 Y方向荷載位移曲線

由圖5可見(jiàn)，梁箍筋配筋率的增大和減小都會(huì)使索-混凝土梁節(jié)點(diǎn)梁端的Y方向位移增大，中間層邊節(jié)點(diǎn)最佳箍筋配筋率為0.0039。

3.3 柱軸壓比

在中間層邊節(jié)點(diǎn)模型中，混凝土強(qiáng)度為C40，梁箍筋配筋率為0.0039，改變柱軸壓比之后，對(duì)節(jié)點(diǎn)梁端施加集中力，得到的Y方向位移如表3所示，荷載位移曲線如圖6所示。

表3 Y方向荷載位移關(guān)系表

圖6 Y方向荷載位移關(guān)系表

由圖6可見(jiàn)，對(duì)柱施加壓力后，節(jié)點(diǎn)梁端的Y方向位移增加，而且不同軸壓比作用下，節(jié)點(diǎn)梁端Y方向位移量一致。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處索的拉力與柱的豎向壓力共同作用使得節(jié)點(diǎn)橫向變形加大，節(jié)點(diǎn)混凝土易壓碎，影響節(jié)點(diǎn)承載力。所以應(yīng)控制中間層邊節(jié)點(diǎn)處柱的軸壓比。

3.4 柱子縱向鋼筋

在中間層邊節(jié)點(diǎn)模型中，梁箍筋配筋率為0.0039，混凝土強(qiáng)度C40，只改變柱縱筋配筋率，對(duì)節(jié)點(diǎn)梁端施加集中力，得到的Y方向位移如表4所示，荷載位移關(guān)系曲線如圖7所示。

表4 Y方向荷載位移關(guān)系表

圖7 Y方向荷載位移曲線

由圖7可見(jiàn)，改變柱縱筋配筋率，節(jié)點(diǎn)梁端的Y方向位移變化趨勢(shì)沒(méi)有波動(dòng)。說(shuō)明柱縱筋配筋率對(duì)中間層邊節(jié)點(diǎn)承載力沒(méi)有影響。

3.5 梁縱向鋼筋

在中間層邊節(jié)點(diǎn)模型中，梁箍筋配筋率為0.0039，混凝土強(qiáng)度C40，只改變梁縱筋配筋率，對(duì)節(jié)點(diǎn)梁端施加集中力，得到的Y方向位移如表5所示，荷載位移變化曲線如圖8所示。

表5 Y方向荷載位移關(guān)系表

圖8 Y方向荷載位移曲線

由圖8可見(jiàn)，只改變梁縱筋配筋率，梁端的位移變化趨勢(shì)一致。說(shuō)明梁縱筋配筋率對(duì)中間層邊節(jié)點(diǎn)承載力沒(méi)有影響。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)索-混凝土組合梁中間層邊節(jié)點(diǎn)的靜力分析可知:增大混凝土強(qiáng)度對(duì)提高節(jié)點(diǎn)承載力有利，但強(qiáng)度應(yīng)有所限制;節(jié)點(diǎn)梁端箍筋配筋率以0.0039為宜;減小軸壓比對(duì)控制中間層邊節(jié)點(diǎn)承載力有利;梁、柱縱筋配筋率對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力沒(méi)有影響。所以對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土材料強(qiáng)度、柱的軸壓比以及節(jié)點(diǎn)梁端箍筋配筋率。

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