基于抗震性能的鋼筋混凝土框架結構節點設計分析

摘 要：為解決部分地震高發區建筑物結構的安全問題，保障人民群眾的人身安全以及財產安全，在分析建筑結構的性能水平并將其量化的基礎上，對鋼筋混凝土框架結構的概述提出了抗震結構的延性設計原則，闡述了基于抗震性能的鋼筋混凝土框架結構節點設計的主要內容，希望能夠為同行業工作者提供一些幫助。

關鍵詞：抗震性能；鋼筋混凝土框架結構；節點設計

中圖分類號：TU375.4;TU352.1" " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2023）08-0037-03

0 引言

地震是一種常見的自然災害，對建筑結構造成的損失極大。而鋼筋混凝土框架結構是建筑領域中應用最為廣泛的結構形式之一，其具有承受大震力的能力和較高的安全性能。鋼筋混凝土框架結構中的節點設計對整個結構的抗震性能起到至關重要的作用。因此，研究鋼筋混凝土框架結構的節點設計，了解其受力特點，分析其抗震性能，對提高鋼筋混凝土框架結構的抗震性能水平具有重要的意義。

1 鋼筋混凝土結構的抗震性能評價指標

抗震性能是評價鋼筋混凝土建筑結構的一個重要指標，其指的是結構在地震力作用下能夠承受破壞而不造成嚴重的傷亡和經濟損失的耐震能力。

根據國家標準《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），抗震性能可分為以下4個性能等級：一是等震性能。結構在小震動作用下可以正常使用，但在大震動作用下可能產生輕微損傷。二是較好的抗震性能。結構在小震動作用下可以正常使用，在大震動作用下可以承受一定程度的破壞。三是優良的抗震性能。結構在小震動作用下可以正常使用，在大震動作用下可以承受較為嚴重的破壞，但不至于崩塌。四是非常優良的抗震性能。結構在小震動作用下可以正常使用，在大震動作用下可以承受極其嚴重的破壞，但也不至于全面崩塌。不同等級的抗震性能對應的地震分別不同，具體對應的地震參數需根據不同的設計場地確定。

我國對于建筑物抗震設防層面的目標，可概括為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。這個標準對于建筑結構功能的要求相對單一，雖然能夠保證建筑物不會倒塌，但卻無法確保在強震條件下所產生損失。

基于此，自20世紀90年代以來，地震工程領域開始重點關注建筑結構綜合位移的結構設計，經由長時間的分析與結構設計積累，提出了相對完整的設計理論以及對應的設計方法[1]。

2 鋼筋混凝土框架結構節點設計原理

2.1 鋼筋混凝土框架結構簡述

鋼筋混凝土框架結構是一種廣泛應用于建筑、橋梁、隧道等工程中的結構形式。它由多根水平的梁和多根豎直的柱子組成，梁和柱子通過連接件連接在一起，形成一個框架，稱之為鋼筋混凝土框架結構?？蚣苤械闹迂撠煶惺艽怪焙奢d，梁負責承受水平荷載，連接件則起到連接和傳遞荷載的作用。

鋼筋混凝土框架結構具有強度高、剛度大、穩定性好等優點，能夠適應各種復雜的荷載情況和地震動力作用，廣泛應用于建筑中。其中最為突出的特點在于其具有較為靈活的空間布置能力，并由于該結構自重較輕，可節約較多的建筑材料，并可保證建筑物平面空間的調整靈活性，適用于內部空間需求相對較大的建筑物結構領域。

在實際的建筑設計中，鋼筋混凝土框架結構的輪廓和跨度、柱子和梁的尺寸及數量、連接件和支撐結構的方式都需要根據實際需要進行合理設計，以達到安全、經濟、美觀的效果。在設計過程中，為了獲得較為突出的抗震結果，通常將梁與柱澆筑建筑結構需求的截面形狀。

但鋼筋混凝土框架結構的應用中也存在著較為突出的結構缺陷。例如，框架節點的應力較為集中，但特性剛度相對較小，在強烈地震以及外部因素影響下，使該結構產生較大的水平位移，從而增大建筑結構的非結構性破壞風險，此種情況在地震高發區域中展現得尤為嚴重[2]。

2.2 鋼筋混凝土框架結構節點設計的分類和特點

鋼筋混凝土框架結構節點設計可以分為剛性節點和鉸接節點兩種類型。對于剛性節點來說，它具有良好的剛度和穩定性，能夠承受較大的外力作用。剛性節點的連接處需要加強大量鋼筋，以增加結構的強度。剛性節點的設計難度較大，需要考慮力學及材料的復雜性，因此設計過程較為繁瑣。

對鉸接節點來說，它具有良好的適應性，能夠有效地抵御剪切等作用，可以通過設置鉸接來降低結構的剛度，減少結構的應力和振動。鉸接節點的設計較為簡單，但是需要注意設計中的一些細節問題，如合理設置鉸點的位置和形式。剛性節點和鉸接節點具有不同的優缺點，設計時需要根據實際情況進行選擇[3]。

2.3 鋼筋混凝土框架結構節點設計的基本要求

鋼筋混凝土框架結構節點設計的基本要求包括以下6點：一是承載力要求。節點設計應能滿足結構在各類荷載作用下的承載能力要求。二是穩定性要求。節點設計應能保證結構在各類荷載作用下的穩定性，防止發生失穩。三是承載性能要求。節點設計應能保證結構在整體失穩前，節點不發生局部穩定失效。四是經濟性要求。節點設計應能在滿足安全、穩定、承載性能等要求的前提下，盡量降低花費和材料量的使用。五是施工便捷性和可操作性要求。節點設計應能簡化節點施工難度，確保施工時的安全和工期。六是耐久性要求。節點設計應考慮結構的使用壽命和耐久性，以確保結構的長期穩定性和安全性。只有滿足鋼筋混凝土框架結構節點設計的基本要求，才能保證節點設計的安全性和可靠性[4]。

2.4 鋼筋混凝土框架結構節點設計的基本原則

在鋼筋混凝土框架結構設計過程中，要確保抗震性能達到預先設定的標準，其中最為關鍵的是全面提升結構的延性性能。延性性能越大，建筑結構在地震影響下承受的塑性變形能力越強，進而有利于降低結構倒塌的風險，并且能夠在一定程度上抵抗由于地震所帶來的建筑結構的破壞性。這就要求在結構設計期間，從配件構造和結構設計兩個角度出發，確保能夠展現充足的延性。

鋼筋混凝土框架結構節點設計要把握好以下6個基本原則：一是堅固性節點的設計應該能夠承受地震力的作用，防止結構發生破壞。二是節點的設計應該具有一定的韌性，能夠在地震力的作用下發生一定程度的變形，從而減輕地震力的影響。三是節點的設計應該考慮到結構在地震中發生部分損壞時的修復方法和措施，使得結構能夠盡快恢復正常。四是材料適應性。節點的設計應該考慮到材料的特性和使用要求，應選用適合的材料，確保結構的穩定性和抗震性能。五是實用性。節點的設計應該考慮到操作的方便性、工藝的可行性和實際施工的條件，以便實現良好的抗震性能。六是經濟性要求。節點的設計應該考慮到經濟性的問題，以達到優化結構設計的目的[5]。

3 鋼筋混凝土框架結構節點設計內容

3.1 鋼筋混凝土框架結構節點設計的基本流程

基于抗震性能的鋼筋混凝土框架結構節點設計，要把握以下基本流程：①確定結構的地震分區和設計基準地震波參數，對節點所處的位置和節點周圍的結構進行分析，確定節點的受力狀態，如是否處于彎曲區、剪切區或受拉區等。②根據節點的受力狀態和設計基準地震波參數，建立數學模型，進行結構抗震性能計算。③根據計算結果，確定節點所需的尺寸、鋼筋布置和承載能力等設計參數。④設計節點的幾何形狀，包括節點板厚、彎曲區鋼筋的直徑和布置形式、節點支撐和連接方式等。⑤對節點進行細化設計，考慮生產、施工和驗收的技術要求，確定合理的材料規格和施工方法。⑥通過模擬或實驗驗證節點設計的合理性和性能，如彎曲承載能力、剛度、韌性等。⑦根據實際施工情況，進行節點設計的調整和完善。

3.2 鋼筋混凝土框架結構節點設計的參數選擇和計算方法

鋼筋混凝土框架結構節點設計一般需要考慮節點的抗震性能，參數選擇和計算方法應根據設計要求和實際情況進行具體選擇。

一是參數選擇。節點設計的參數包括材料參數和幾何參數兩個方面。材料參數包括混凝土強度等級、鋼筋抗拉強度等級、鋼筋屈服強度等級、連接件強度等級等。幾何參數包括節點截面尺寸、鋼筋配筋率、連接件尺寸等。

二是計算方法。節點設計的計算方法一般采用有限元方法或試驗方法。有限元方法是通過建立節點有限元模型，利用有限元軟件進行分析計算，得到節點的應力、應變分布和承載力等參數。

試驗方法是通過建立試驗模型，進行試驗加載和觀測，得到節點的受力性能。試驗方法可以對有限元分析計算結果進行驗證和修正。綜合考慮材料參數和幾何參數，結合有限元分析計算和試驗數據，可以得出節點設計的參數選擇和優化方案。

4 鋼筋混凝土框架結構節點設計的實例分析

在大型地震發生條件下，梁柱節點是鋼筋混凝土框架結構中最容易被預先破壞的核心部位[6]。

基于國內外地震資料研究，地震發生時對建筑結構帶來的破壞主要體現在建筑物的柱子上。由于柱子端側的混凝土極容易在外在作用影響下被剝離或壓碎，直至鋼筋結構全部被歪曲，該現象對于整體的框架結構應用效果來說極為不利。若某層鋼筋混凝土框架柱端出現了損壞情況，則其他柱子的端口極容易在持續的作用影響下遭受破壞，影響建筑結構的整體安全性與穩定性[7]。若發生的破壞僅僅出現在梁的端口，只有在絕大部分梁被完全破壞后才會導致建筑物結構的倒塌。

在鋼筋混凝土框架柱子的設計過程中，需要主動增大柱端的彎矩設計值，從而降低柱子的屈服概率，保證建筑物結構能夠滿足抗震性能的基本要求，在地震期間能夠發揮作用。

在強柱弱梁的鋼筋混凝土框架中，強柱是指框架柱子的抗剪能力和抗彎能力，要超出梁的抗剪能力和抗壓能力。如果柱子因為較強的減壓負荷受力而產生了破壞，就會導致脆性破壞問題。而地震作用力極容易導致產生脆性破壞現象[8]。

若采取強柱弱梁框架結構，則其梁將會成為首先產生裂縫的位置，所形成的塑性鉸能夠起到將破壞的時間延遲，給予人們更多的逃生與躲避的機會。

為實現強柱弱梁的節點設計目標，需要在節點設計期間設置較多的加密箍筋，配合使用135°彎鉤，對柱子的受拉鋼筋的配筋率展開合理管控，對梁的錨固筋予以整體強化，進而提高柱子強度的整體作用。在罕見地震出現時，該框架結構的梁端口同樣能夠形成塑形鉸，確保柱子的端口始終能夠處于彈性狀態，不會出現結構屈服的現象，促使整體的節點能夠處在彈性狀態，從而保證結構的穩定性。

強柱弱梁展現出的強弱水平，與梁端截面的抗彎能力和柱端截面的抗彎能力密切相關，其增幅大小緊密關聯最終的結構強度。在大型地震后，柱子端口截面的塑性轉動并不會導致超出塑性轉動能力的關鍵因素。強度弱梁是判斷是否能夠最終形成層側移結構的重要基礎，也是避免柱子結構不會由于外力作用而將其得其壓碎的關鍵手段。柱子的強度高于梁的幅度的最終大小，與梁端的塑性鉸形成過程中動力特征以及塑性內力的分布變化情況密切相關[9]。

在建筑物結構設計和資源配置過程中，要盡量做大柱子的截面尺寸，柱子的線高度和梁的線剛度比值要始終大于1，要確保柱子軸壓的控制嚴格性，從而匹配與抗震性能相適應的建筑建設標準和設計標準，使其延性性能能夠獲得進一步強化。對截面承載力進行驗算過程中，要對柱子的設計彎矩予以人為調整，嚴格遵循強柱弱梁的原則，將柱子設計彎矩予以放大，從而起到強化柱子配筋結構的作用。

5 結束語

地震高發區域更需要提高對建筑結構設計安全性與穩定性的重視，將抗震性能作為鋼筋混凝土建筑結構設計的基本原則。本文基于抗震性能的鋼筋混凝土框架結構節點的設計分析，通過分析節點受力特點，提出了一種新的節點設計方法，并在此基礎上進行了數值模擬和試驗驗證。新設計的節點有效提高了結構的抗震性能和安全性，并在數值模擬和試驗中得到了驗證。

參考文獻

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[8] 燕登.基于FEMA P-58的鋼筋混凝土框架結構抗震及減隔震性能評估[D].哈爾濱：中國地震局工程力學研究所，2019.

[9] 寇馳.裝配式混凝土框架結構梁柱節點干連接抗震性能研究[D].西安：西安工業大學，2019.