鋼筋混凝土框架變梁異型節點的有限元分析

田葉軍

(山西省建筑設計研究院，山西太原 030013)

0 引言

在實際工程中，鋼筋混凝土框架變梁異型節點始終存在于各類建筑結構當中，此節點顯著特點是連接柱兩側的梁截面高差較大。事實證明，汶川地震發生后，調查表明，此類節點的破壞較為嚴重，分析發現變梁異型節點受力性能明顯不同于常規節點。而在工程設計中，GB 50011-2010建筑抗震設計規范中指出，計算節點區抗剪承載力時，節點區柱兩側梁截面高度有高差時取平均值法來計算，從歷次地震分析中表明，此種簡化的計算方法雖然可以滿足工程中的計算問題，但是從概念或者經驗意義上考慮，此計算方法缺乏充足的理論分析和試驗數據。本文對鋼筋混凝土框架變梁異型節點的梁端兩側施加反對稱荷載，以此模擬節點在遭遇地震作用時的實際受力情況，從而分析出變梁異型節點核芯區在地震作用下的實際破壞機制。

1 工程實例

本文對鋼筋混凝土框架結構中的梁柱節點單獨進行研究，研究時為保證節點在梁、柱鉸未出現時，節點核芯區已開裂并伴隨裂縫發展，故將此節點設計為“強構件弱節點”的形式。

取框架柱截面為400 mm×400 mm，框架大梁截面為200 mm×700 mm，框架小梁截面:模型一200 mm×400 mm，模型二200 mm×500 mm，模型三200 mm×600 mm，各模型大小梁配筋均采用上下各3φ18，箍筋采用φ8@100(2)，柱配筋均采用8φ20，對稱布置，節點核芯區處箍筋采用φ8@150(2)，柱上下端箍筋采用φ8@100(2)，梁柱混凝土強度等級均為C35。計算模型見圖1。為更精確地模擬節點核芯區受力情況，將各模型網格節點劃分尺寸均取為50 mm。

2 計算模型單元建立

2.1 模型加載方案

由結構力學知識得出，在地震作用參與下梁端兩側的剪力較大，因此在選取模型構件長度時，梁長度均取自梁端箍筋加密區長度，而柱上下側均取自層反彎點位置處。其加載方案圖形如圖2所示。

在模擬試驗過程中，對柱選施加恒定的軸壓比為0.3的軸壓力，然后對上述梁柱組合體施加正反對稱豎向荷載，其加載終止條件:節點一側梁上部縱筋和另一側下部縱筋基本同時屈服。

2.2 模型加載邊界條件

在ANSYS軟件中，將對柱底部與頂部及梁端部做如下處理:

1)考慮對柱底部所有節點約束Y方向的自由度，在其中心節點處約束XYZ三個方向的自由度。對柱頂部，約束中心節點處XZ向自由度，以此來模擬柱上下端鉸接的實際情況。

圖1 計算模型

圖2 異型節點正反對稱加載試驗示意圖

2)為避免豎向集中荷載作用下在梁柱端應力集中對構件產生過大的影響，故在模型的柱底部、頂部、梁端部荷載集中處設置Soild45剛性墊塊，墊塊尺寸與梁柱截面相同。

3 計算分析

3.1 核芯區劃分

為了更準確地敘述節點核芯區破壞的機理，現將節點核芯區做以下劃分:

如圖3所示，把小梁與柱形成的區域ABCD稱為小核芯區，大梁與柱形成的區域ABEF稱為大核芯區。

3.2 梁端施加對稱荷載時各模型破壞形態

變梁異型節點與常規節點不同的是柱兩側的梁高差較大，梁的線剛度比相差較大，但從模型一、三在加載破壞過程來看，變梁異型節點核芯區均出現明顯的剪切破壞，且從裂縫的發展來看，都經歷了初裂、通裂、極限和破壞四個階段，如圖4，圖5所示。模型一、三正反對稱荷載下的應力流圖見圖6～圖9。

圖3 核芯區劃分示意圖

圖4 模型一裂縫發展圖

圖5 模型三裂縫發展圖

圖6 模型一正對稱荷載下應力流圖

圖7 模型三正對稱荷載下應力流圖

圖8 模型一反對稱荷載下應力流圖

圖9 模型三反對稱荷載下應力流圖

3.3 各模型破壞形態下的結果對比

從上述圖形可以得出共同點:

1)地震作用下的變梁異型節點，在破壞完全符合斜壓桿機理，即在初裂階段，混凝土斜壓桿控制著節點區的抗剪承載力(主要由混凝土自身的抗剪來承擔)。

2)節點區破壞時，裂縫的發展主要集中在小核芯區域，因此在實際工程中，當遇到變梁異型節點時，其抗剪承載力大小主要取決于小核芯區(面積大小、配筋率、混凝土強度等級等)。

3)小核芯區以外的大核芯區，在破壞階段，其混凝土應力值相比小核芯區較小，表明此階段的大核芯區裂縫較少，這也證明了大核芯區對小核芯區的斜壓桿混凝土膨脹有一定的約束作用，從而有助于提高小核芯區混凝土的抗壓強度。

從上述圖形可以得出異同點:

1)模型一:隨著荷載的不斷增加，變梁節點核芯區在極限階段時，節點區形成明顯的“X”形對角主斜裂縫，且從模型一正(反)對稱荷載下節點區的應力流圖可以直觀的看出，在小核芯區域，其AC，BD向應力值最大，而在大核芯區域，應力值較小，從而可以看出:此類節點在地震作用下破壞時，主要是以小核芯區剪切破壞為主。

2)模型三:隨著荷載的不斷增加，小核芯區的裂縫開始向大核芯區發展，由于其節點高差相差不大(接近常規節點)，故此過程不是十分明顯。從以上模型三正(反)對稱荷載下節點區的應力流圖可以看出，節點區的最終破壞模式是在大核芯區形成“X”形的剪切裂縫，即大核芯區發生剪切破壞，裂縫間距較大。從圖中還可以看出，在梁高差范圍內，也出現了許多密集的斜向裂縫，說明其破壞形式與常規節點已經十分相似。

4 結語

鋼筋混凝土框架變梁異型節點核芯區的裂縫發展及破壞形態與梁截面高差變化有著密切地聯系。柱截面兩側梁高差越大，節點核芯區在遭遇地震作用時，由于節點區混凝土受剪面積較小，由此引發的核芯區剪切破壞現象較為嚴重，故在工程實際中，設計人員應充分認識到此類節點的破壞機理，在設計此類節點時，應對節點區采取相應的加強措施(如:小梁加腋、增大節點區配箍率、適當增大軸壓比、適當提高混凝土強度等)，以保證節點核芯區有足夠的抗剪承載力。

［1］吳 濤，劉伯權，邢國華.鋼筋混凝土框架變梁異型節點抗震［M］.北京:科學出版社，2010.

［2］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［3］王昌興.MIDAS/Gen應用實例教程及疑難解答［M］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

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