鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震設(shè)計探討

（北京龍安華誠建筑設(shè)計有限公司天津分公司 300070；

中建一局集團第一建筑有限公司 746400；

中國黃金集團陽山金礦有限公司 200051）

【摘要】框架節(jié)點是框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位。框架節(jié)點區(qū)的受力狀況比較復雜，研究人員通過對震害的調(diào)查和研究，得出在地震作用下，當框架節(jié)點承受較大水平剪力作用時，極可能會產(chǎn)生剪切脆性破壞而使框架失去承載能力。另外，框架節(jié)點是框架梁、柱縱筋的錨固區(qū)，由于荷載的長期作用，混凝土與鋼筋的粘結(jié)力會降低，會出現(xiàn)鋼筋的錨固破壞，使得節(jié)點的強度、剛度和耗能能力降低。本文對鋼筋混凝土框架節(jié)點的受力情況進行分析，探討了節(jié)點破壞機理和失效方式，并以此為基礎(chǔ)對框架節(jié)點抗震設(shè)計進行研究，以期為提高鋼筋混凝土框架節(jié)點的抗震性能提供參考。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土；框架；節(jié)點；抗震設(shè)計；探討

節(jié)點在鋼筋混凝土框架中起著十分重要的作用，尤其在地震的作用下，節(jié)點一旦損壞會給整個框架的安全帶來較大威脅，因此，加強框架節(jié)點抗震方面的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

一、節(jié)點受力分析

1.節(jié)點受力情況

框架節(jié)點是柱、梁交接的主要部分，同時受柱子、彎矩傳遞來的剪力、軸向力的共同作用，受力情況比較復雜。當?shù)卣鹨鸬乃阶饔眯《Q向荷載比較大時，左、右梁端截面中的內(nèi)力就會使節(jié)點核心區(qū)受到較小的剪力，此時對節(jié)點較為有利。而當?shù)卣鸬乃阶饔幂^大，左、右梁端受正、負彎矩作用時節(jié)點核心區(qū)受到的剪力較大，此時不利于節(jié)點，因此，設(shè)計節(jié)點抗震性能時多針對后者不利于節(jié)點的情況。節(jié)點核心區(qū)受到的水平剪力計算公式為：V=C1+C2+T-V1，其中V1表示上柱剪力，T表示右側(cè)梁端上部所受到的鋼筋拉力，C1表示左側(cè)梁端受壓區(qū)鋼筋壓力，C2表示混凝土傳入節(jié)點的壓力。

2.節(jié)點受力機理分析

盡管節(jié)點受力情況比較復雜，但是受力機理總共可分為三種類型：其一，斜壓桿機理。該種類型主要考慮混凝土對節(jié)點起到的承載力作用，在節(jié)點核心區(qū)箍筋很少或無箍筋的情況下較為適用；其二，剪摩擦力機理。該種類型適合核心區(qū)混凝土受水平箍筋屈服以及受剪力破壞，而梁筋未發(fā)生屈服且未出現(xiàn)粘結(jié)破壞情境；其三，桁架機理。該種類型適合核心區(qū)同時存在垂直鋼筋和水平箍筋，并且柱子和垂直鋼筋的軸向力承擔垂直拉力水平箍筋承擔水平拉力，以及處于斜裂縫間的混凝土承受斜壓力的情況。

二、節(jié)點破壞階段和失效類型

造成節(jié)點破壞的原因很多，如設(shè)計配箍量不足、混凝土保護層厚度過小、鋼筋錨固不夠、施工時混凝土強度及振搗不足等。節(jié)點的破壞形式一般有以下幾種情況：（1）核心區(qū)混凝土受剪壓破壞，產(chǎn)生斜向?qū)橇芽p或交叉裂縫；（2）框架梁受壓區(qū)混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，梁內(nèi)出現(xiàn)塑性鉸，發(fā)生受彎破壞；（3）柱端壓彎破壞，主要表現(xiàn)為柱端混凝土受壓破壞，柱筋屈曲，柱端形成塑性鉸；（4）鋼筋錨固不足，混凝土與鋼筋豁結(jié)不足，鋼筋滑移。

1.節(jié)點破壞環(huán)節(jié)

受到地震作用節(jié)點會出現(xiàn)不同程度的破壞，研究分析節(jié)點破壞分為初裂、通裂、極限和破損三個環(huán)節(jié)，其中核心區(qū)出現(xiàn)第一條裂縫時為初裂。此時水平箍筋應(yīng)力比較小，節(jié)點處于彈性工作階段，節(jié)點剪力主要又混凝土承擔；在初裂的基礎(chǔ)上繼續(xù)加載，核心區(qū)裂縫逐漸增多，并出現(xiàn)穿越核心區(qū)對角線的主斜裂縫，該種現(xiàn)象為節(jié)點通裂。該種情況下節(jié)點內(nèi)的水平箍筋增加比較迅速，而且位于中部的箍筋多數(shù)已經(jīng)屈服，此時的節(jié)點處在彈塑性階段，剛度下降較為明顯；如繼續(xù)加載，節(jié)點核心區(qū)的裂縫會逐漸變寬，撓度增大越來越明顯，剪切變形增加迅速。此時混凝土保護層會起翹并開始脫落，此時節(jié)點水平箍筋幾乎完全屈服；當核心區(qū)的混凝土剝落程度加劇，變形增加迅速，節(jié)點面臨著破損。

2.節(jié)點失效類型

依據(jù)核心區(qū)承受剪力以及柱、梁端正截面承載力強弱，可將節(jié)點失效類型分為三類：第一類發(fā)生在梁端鋼筋受拉鋼筋尚未屈服前，節(jié)點因剪切而失效；第二類，發(fā)生在梁、端受拉鋼筋屈服至正截面承載力尚未喪失前，節(jié)點發(fā)生剪切破壞或剪切失效；第三類節(jié)點失效表現(xiàn)為梁端受拉鋼筋屈服，節(jié)點交替變形逐漸變大，柱、梁端塑性鉸轉(zhuǎn)動充分，正截面承載力喪失。

第一種類型框架不能滿足抗震承載力要求，且節(jié)點核心區(qū)具有較差的延性，設(shè)計時應(yīng)力求避免該種情況；第二類中當框架間變形滿足一定的要求后核心區(qū)才出現(xiàn)剪切破壞，并且在此之前節(jié)點核心區(qū)變形、柱梁筋粘結(jié)滑移未給框架層間耗能性能和剛度造成較大不利影響，即可滿足抗震設(shè)計要求；第三類中梁端塑性區(qū)耗能和延性性能發(fā)揮較為充分，不過需要適當增加核心區(qū)的配箍率。

三、框架節(jié)點抗震設(shè)計

鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震設(shè)計時應(yīng)注重把握“強剪弱彎”、“強柱弱梁”、“強節(jié)點弱構(gòu)件”原則，以保證梁受到地震作用時能夠充足的轉(zhuǎn)動耗散地震能量，提高整個框架的安全性。

1.強剪弱彎

“強剪弱彎”是對梁柱抗震性能的進一步說明，它要求梁、柱的受剪承載力大于其受彎承載力，保證與框架節(jié)點相連接的構(gòu)件在地震作用下達到延性水平，防止出現(xiàn)節(jié)點的剪切和構(gòu)件的脆性破壞，盡量使結(jié)構(gòu)在遭受強烈地震作用時出現(xiàn)延性破壞形式，使結(jié)構(gòu)具有良好的變形能力和耗能能力。

框架受地震作用后應(yīng)避免塑性鉸區(qū)剪切破壞，嚴格按照“強剪弱彎”的原則進行設(shè)計并注意以下兩點：首先，設(shè)計框架梁的剪力設(shè)計值時，將抗震作用考慮在內(nèi)的彎矩設(shè)計值和不同的增大系數(shù)相乘，并平衡掉剪力值；其次，針對一級框架結(jié)構(gòu)和9度設(shè)防的框架，應(yīng)充分考慮梁中縱筋可能出現(xiàn)超配的情況，并根據(jù)實際配備的鋼筋計算對應(yīng)的彎矩設(shè)計值。

2.強柱弱梁

地震作用下結(jié)構(gòu)的一個顯著特點是，結(jié)構(gòu)強度無強度儲備，即梁端部的受彎承載力與其在地震作用下的實際彎矩相等，柱端部的實際彎矩作用與其在偏壓下的受彎承載力相等。框支柱和框架柱一般延性比較小，為避免塑性鉸提前出現(xiàn)在柱端造成層間出現(xiàn)較大側(cè)移，設(shè)計時應(yīng)按照“強柱弱梁”的原則進行設(shè)計。設(shè)計框架柱時要求適當增大框支柱、上下柱端彎矩的設(shè)計值。針對一級抗震要求和9度設(shè)防的框架，確定柱端彎矩設(shè)計值時應(yīng)參考梁端出現(xiàn)塑性鉸時受彎承載力對應(yīng)的彎矩值。

3.強節(jié)點弱構(gòu)件

為避免構(gòu)件組合缺陷造成的影響，設(shè)計節(jié)點時應(yīng)保證其具備足夠的強度，從而能夠抵抗較大的荷載。另外，和其他構(gòu)件相比節(jié)點一旦被破壞造成的后果往往較為嚴重，而如梁柱局部被破壞還仍能具備一定的承載能力，因此設(shè)計時要求節(jié)點在地震作用下，破壞時間節(jié)點不能早于構(gòu)件。

驗算框架節(jié)點核心區(qū)應(yīng)注意：應(yīng)抗震驗算一級、二級、三級框架節(jié)點核心區(qū)，而四級框架節(jié)點可根據(jù)實際情況不進行抗震驗算，不過應(yīng)滿足抗震設(shè)計其他規(guī)范要求。

四、總結(jié)

節(jié)點在鋼筋混凝土框架體系中發(fā)揮的作用極其重要，如其在地震中被破壞整個結(jié)構(gòu)倒塌的可能性將大大增加，因此抗震設(shè)計時應(yīng)注重保護節(jié)點。尤其應(yīng)嚴格遵守“強剪弱彎”、“強柱弱梁”、“強節(jié)點弱構(gòu)件”原則進行設(shè)計，以提高節(jié)點的延性和承載力，進而保證鋼筋混凝土具有較強的抗震性能。

參考文獻

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