偏心鋼筋混凝土梁柱節點的抗剪承載力分析★

劉 瑩

(煙臺大學土木工程學院，山東 煙臺 264005)

1 概述

鋼筋混凝土梁柱節點是框架結構承受橫向水平地震荷載的關鍵部位，在受載時具有傳力樞紐的作用，除了承受相鄰梁、柱傳遞的彎矩和剪力外，當梁、柱中心線不重合時，梁柱節點受載過程中會產生扭矩作用降低節點的抗剪承載力。在震后勘察中發現，節點剪切破壞導致大量的鋼筋混凝土建筑倒塌，造成人員傷亡和巨大的經濟損失[1-3]。

在工程實踐中，由于外觀等建筑細節的幾何約束，偏心梁柱節點并不少見。目前我國《建筑抗震設計規范》[4]僅通過規定核芯區的截面有效驗算寬度考慮偏心節點的力學性能，并未對偏心梁柱節點的抗剪承載力進行單獨說明，尤其是對無合理抗震設計的偏心梁柱節點的研究較少。為了保證建筑結構安全，避免梁柱節點的剪切破壞，需要對規范方法的適用性進行評估。

雖然將我國香港劃分為7度抗震區，但目前仍然存在大量未考慮抗震設計的框架結構。本文以香港某現存偏心梁柱節點為研究對象，通過試驗方法測試了其抗剪強度，并與各國規范的計算結果進行對比分析。

2 工程實例計算與分析

2.1 偏心梁柱節點試件

偏心鋼筋混凝土梁柱節點的尺寸和配筋信息如圖1所示，節點側面橫梁的長度取到跨中，節點上、下兩側柱取反彎點為截斷點，柱截面尺寸為300 mm×300 mm，梁截面尺寸為150 mm×450 mm，混凝土保護層厚度c=25 mm，鋼筋型號為HRB500，偏心距為75 mm(bc/4)，標準混凝土立方體試塊抗壓強度為40.1 MPa。

2.2 試驗加載方案

加載裝置如圖2所示，試驗過程中保持柱端軸力不變(軸壓比為0.1)，然后在梁端施加水平往復荷載，加載制度如圖3所示，每一加載等級循環三次。當承載力下降到峰值荷載的85%時，認為梁柱節點構件破壞。

2.3 各國抗剪強度規范

1)我國GB 50011—2010建筑抗震設計規范(2016版)。

我國抗震規范附錄D.1.4中規定，7度抗震區框架節點核芯區的截面抗震受剪承載力公式如下：

(1)

2)ACI 318—14(2014)[5]。

在美國規范ACI 318—14中，框架邊節點的抗剪強度為：

(2)

(3)

3)NZS 3101:2006(2017)[6]。

在新西蘭混凝土結構規范中，鋼筋混凝土框架邊節點的抗剪強度可用下式計算：

(4)

4)Eurocode 8(2004+A1:2013)[7]。

在歐洲規范Eurocode 8第1部分中規定，節點核芯區配置箍筋的框架邊節點的抗剪強度可以用下式計算：

(5)

其中,Ash為水平箍筋總截面面積；fctd為混凝土抗拉強度；υd為柱端設計軸力；hjw為梁截面頂部鋼筋與底部鋼筋之間的距離；hjc為柱截面外側鋼筋之間的距離。

5)我國香港混凝土結構規范(HKSUC, 2013)[8]。

香港混凝土結構規范中，梁柱節點抗剪強度按下式計算：

(6)

其中，Aj為節點內剪切鋼筋有效面積；Cj為正交梁影響系數，對T型節點取值為1；Ac為柱截面面積。

6)Eurocode 2(2004+a1:2014(E))[9]。

歐洲規范Eurocode 2中并未對梁柱節點抗剪強度進行明確規定，可以將節點看作柱的一部分[10]，因此按照該規范6.2節中規定可知節點抗剪強度為：

(7)

2.4 試驗結果與規范計算結果比較

試驗測量得到的數據為梁端荷載，需要轉化為節點核芯區剪力，按下式計算：

(8)

其中，Tb，Vcol分別為梁內鋼筋的拉應力和柱的剪力；P為梁端水平荷載；db，Lc分別為梁的有效截面高度和柱長。

抗剪承載力是反映梁柱節點抗震性能的重要指標，將試驗結果與規范計算結果進行比較，具體見表1。

表1 試驗抗剪強度與規范法計算的抗剪承載力比較表

由表1可知，上述四種抗震規范計算的抗剪強度均明顯大于實際抗剪承載力。對于兩種非抗震規范來說，雖然歐洲規范對該節點抗剪強度的評估明顯優于香港規范的方法，但實際抗剪強度僅為歐洲規范的96%，仍然未達到規范法計算的抗剪承載力，這主要是由于偏心產生扭矩，改變了節點的受力狀態，導致抗震性能未達到規范設計要求。

3 結語

各國規范提供的方法進行了很多簡化，適用于比較規則的非偏心梁柱節點，對于目前現存的非抗震設計的偏心梁柱節點的抗剪承載力并不能進行有效評估，傳統設計理念固有的缺陷使建筑結構對預期的地震風險具有較高的敏感性。香港等中度地震區大量現存的建筑可能需要進行加固或改修，對非抗震設計的偏心梁柱節點的抗剪承載力進行更好的認識是必不可少的。因此，有必要在現行規范的基礎上建立一種合理的方法，來考慮由于梁、柱軸線不重合引起的扭矩作用對梁柱節點抗剪承載力的影響，有效分析中低地震區偏心鋼筋混凝土梁柱節點的抗震性能。