淺談影響鋼筋混凝土框架節點抗震性能的因素

【摘 要】本文討論了影響鋼筋混凝土框架節點抗震性能的一些因素，供鋼筋混凝土框架節點的抗震設計參考。

【關鍵詞】鋼筋混凝土框架節點；抗震性能；核芯區

1.問題的提出

近年來，隨著抗震理論的深入發展，在鋼筋混凝土框架結構的延性設計上，“強剪弱彎，弱梁強柱，更強節點”已經成為工程界的共識。這種“能力設計”的思路確保鋼筋混凝土結構在地震作用下，依次在梁端和柱端出現塑性鉸，通過塑性耗能機構避免在較強的地震作用下結構產生嚴重損傷和在更強地震作用下發生危及生命安全的局部或整體失效。而鋼筋混凝土框架節點在結構達到預計的最不利非彈性反應之前不應出現剪切失效，并具有一定的耗能能力。

鋼筋混凝土框架結構的延性是反映結構在荷載作用下，進入非線性狀態后在承載力沒有顯著降低情況下的變形能力。對于延性大的結構，其產生的塑性變形也大，但永久變形太大，結構可能在重力作用下引起坍塌，也可能使結構的損壞部位不可修復。因此，在鋼筋混凝土框架結構的設計上，必須綜合考慮一定程度的承載能力和一定范圍的延性。

鋼筋混凝土框架節點的受力機理指通過合理的計算假定模式，描述由梁、板、柱傳來的內力（M、N、V、T）在框架節點核芯區的傳遞和由此產生的各種破壞型式。目前比較流行的有三種理論：斜壓桿機理、剪摩擦機理、桁架機理。這三種框架節點的受力機理，應用于各種不同的破壞型式和設計規范中。新西蘭的框架節點設計以斜壓桿和桁架機理共同作用為依據，美國則以梁剪機理和斜壓桿機理為主。而我國《建筑抗震設計規范》（GB50011—2001）中用于抗震框架節點設計的主要計算公式是用來確定節點水平箍筋用量的“框架節點核芯區抗震受剪承載力計算公式”，并未全面考慮到影響鋼筋混凝土框架節點抗震性能的各種因素，值得進一步探討研究。

2.影響鋼筋混凝土框架節點抗震性能的因素

2.1材料強度

混凝土強度直接影響框架節點抗剪承載力，對于承受一定荷載的框架節點，混凝土強度越高，則梁、柱的截面尺寸越小，框架節點核芯區混凝土的承剪截面也相應減小，在一定配箍率下，對其抗震性能反而不利。

我國《混凝土結構設計規范》（GB50010—2002）提倡使用HRB400級鋼筋，鋼筋強度雖然大于HRB335級鋼筋，在相同的設計條件下，用鋼量相對減少，但是鋼筋表面與周邊的混凝土粘結錨固能力下降，在框架節點的高粘結應力區，鋼筋和混凝土的共同作用相對較差，鋼筋易滑移。

2.2節點型式

對于一榀平面框架，按框架節點所在位置，節點主要有四種基本型式：頂層邊柱節點（┏型）、頂層中柱節點（┳型）、中間層邊柱節點（┣型）和中間層中柱節點（╋型）。對于┏型節點，梁、柱的縱筋均需在框架節點核芯區內錨固，節點核芯區受力較復雜，易產生破壞。對于┳型節點，梁的縱筋可直通錨固，水平荷載作用下，柱抗彎承載力弱于梁，柱端易產生塑性鉸。對于┣型節點，柱抗彎承載力較大，“強柱弱梁”比較容易滿足，但梁筋的錨固相對薄弱，梁筋易發生粘結滑移，角柱節點受力最為不利。對于╋型節點，強震作用下，框架節點兩側梁端可能均達到屈服，框架節點核芯區受到很大的剪力，容易發生核芯區剪切破壞。

2.3軸壓比

試驗研究表明，在一定范圍內軸向壓力可提高框架節點核芯區混凝土的抗剪承載力。由于柱軸向壓力的作用，在框架節點核芯區混凝土開裂以前，柱截面受壓區面積加大，斜壓桿作用加強。當混凝土出現裂縫時，混凝土塊體間產生咬合力。隨著軸壓比的增大，抗剪承載力相應增大，但當軸壓比超過某一臨界值時，框架節點受壓區混凝土產生微裂縫，使混凝土壓碎，抗剪承載力反而下降。

2.4剪壓比

為了防止框架節點核芯區出現斜拉破壞或斜壓破壞，必須控制剪壓比，即限制配箍率，避免框架節點核芯區混凝土的破壞先于箍筋的屈服。

2.5水平箍筋

在框架節點內配置水平封閉箍筋，一方面對框架節點核芯區混凝土產生有利約束，增強傳遞軸向荷載的能力，另一方面承擔部分水平剪力，提高框架節點的抗剪承載力。試驗表明，配箍適當的框架節點核芯區出現貫通裂縫后，混凝土承擔的剪力繼續增加，箍筋全部屈服，混凝土與箍筋同時充分發揮作用，使節點核芯區受剪承載力在破壞時達到最大。對于配箍較高的節點，當節點核芯區產生貫通斜裂縫時，混凝土抗剪承載力達極值，但箍筋應力還很低，混凝土破壞先于箍筋屈服，使得節點核芯區的抗剪承載力達不到預期的最大值，箍筋不能充分發揮作用。

2.6豎向箍筋

在水平反復荷載作用下，框架節點核芯混凝土出現交叉斜裂縫后，剪力的傳遞由斜壓桿作用過渡到水平箍筋承擔水平分力、柱縱向鋼筋承擔豎向分力以及平行于斜裂縫的混凝土骨料咬合力所構成的桁架抗剪機制，設置豎向箍筋可承擔框架節點剪力的豎向分量，減少混凝土的負擔，從而提高框架節點的抗剪承載力，但施工不便。

2.7柱縱向鋼筋

柱縱向鋼筋通常按抗彎要求設置，沿柱截面的高度方向，按構造規定也相應配置一定數量的縱向鋼筋。這些縱筋與水平箍筋聯合對框架節點核芯區混凝土形成雙向約束。因此，合理布置柱縱向鋼筋對提高框架節點抗剪承載力有一定貢獻，但增加柱縱向鋼筋不像增加水平箍筋那樣能顯著地提高框架節點的抗剪承載力。

2.8直交梁

國內外的實際震害與試驗研究表明，垂直于框架平面與節點相交的直交梁對框架節點核芯區混凝土具有約束作用，從而提高框架節點的抗剪承載力。但是，如果斜向地震的雙軸效應使兩個方向梁的縱筋都屈服，則降低了直交梁對節點的約束作用。對于僅一側有直交梁的框架節點，抗剪性能并未改善框架節點的抗剪承載力。

2.9樓板

框架節點四周的樓板對節點核芯區具有約束作用，與梁軸平行的樓板鋼筋與梁上部受力鋼筋協同工作。如果考慮樓板作為梁翼緣在受彎過程中發揮的作用，則應相應地提高節點的剪力計算值。

2.10預應力作用

對鋼筋混凝土框架節點施加預應力，可使框架節點核芯區混凝土增加約束，處于雙向受力狀態，從而提高框架節點的抗剪承載力。但通過框架節點核芯區的無粘結預應力筋，削弱核芯區混凝土的面積，降低框架節點的抗剪承載力。因此，對于無粘結預應力混凝土框架節點，可將預應力作用對框架節點的抗剪承載力的提高作為結構的安全度儲備。

2.11偏心影響

在高層建筑設計中，為了使建筑立面產生與外墻或柱面齊平的效果或產生凹凸錯落的效果，經常要求梁、柱中心線錯開，甚至要求梁側面與柱側面重合，出現大量的大偏心框架節點，這時框架節點受到附加扭矩之類的次內力作用，剪力在節點內的傳遞比較復雜。通過實際震害和試驗研究可以發現，與無偏心框架節點相比，偏心框架節點抗剪承載力明顯下降。

2.12異形柱節點

T型柱框架節點的抗剪承載力較低，框架節點在梁一屈服后馬上進入通裂狀態。當梁寬大于柱腹板寬度時，處于柱腹板外的梁縱筋在節點處錨固較差。

2.13反復荷載

在反復荷載作用下，材料強度和構件強度降低，粘結錨固性能退化，剪切變形加大。由于框架節點內剪應力方向交替變化，核芯區斜向裂縫的張開與閉合交替產生，導致框架節點核芯區抗剪承載力和剪切剛度降低。框架節點兩側的梁縱向鋼筋可能產生一側受拉達到屈服，另一側受壓達到屈服，產生很高的粘結應力，使鋼筋滑移，發生粘結破壞。隨著梁端變形的逐步增加，框架節點核芯區抗剪承載力相應逐漸衰減。

2.14斜向地震的雙軸效應

當地震作用方向與建筑物主軸方向不一致時，可能使兩個方向的梁都達到屈服，這時作用于節點對角斜面上的水平剪力約為其中一個方向的2倍，然而斜裂縫遇到的箍筋與一個方向受剪時遇到的箍筋數目仍然相同。如果這些水平箍筋與柱截面各邊平行，則鋼筋的斜向分力僅僅是單向受剪時可抵抗剪力的1/2。對于雙向對稱的框架，雙向受剪所需要的剪力鋼筋約為單向受剪所需剪力鋼筋的2倍。因此，斜向地震作用下，框架節點的強度和剛度迅速降低，梁筋較早出現粘結滑移破壞。

3.建議

通過以上對影響鋼筋混凝土框架節點抗震性能的各種因素的討論，在鋼筋混凝土框架節點的設計上，綜合“概念設計”和“構造措施”，確保結構設計安全經濟。