考虑节点剪切变形影响的钢筋混凝土框架地震反应分析_硕士学位论文(编辑修改稿)

考虑节点剪切变形影响的钢筋混凝土框架地震反应分析_硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

对 节点强度 进行 计算 ，忽略了 节点核心区强度和变形 ，这使得 结构 存在着严重的 安全评估问题和鉴定问题。 长安大学硕士学位论文 5 表 节点剪变形 γ引起的梁外端挠度占梁外端总挠度的比例 [710] 试件 名称 轴压比 ccc hbfN/ 剪压比 cccj hbfV / 箍筋特 征值 cyvsv ff / 延性系数  (﹪ )  =1  =2  =3  =4  =5 J1 10 16 4 14 2 J2 12 7 5 3 J3 16 12 8 2 J5 16 26 6 22 J6 12 28 52 60 70 J7 32 40 44 45 48 J8 28 38 40 45 J9 18 30 40 36 J10 22 40 44 46 J12 19 18 20 32 48 J13 15 20 25 32 38 J15 12 24 37 32 44 J16 21 20 24 36 32 目前， 此类问题 广泛 存在于 钢筋混凝土框架 梁柱节点 （包括 节点区相对薄弱的钢筋混凝土异形柱结构 ）。 要达到 “ 大震不倒 ” 的 目标， 其中最重要的手段 是进行 罕遇地震下 结构 的 弹塑性时程响应 分析 或静力弹塑性推覆（ Pushover） 分析 ，但 就 目前 的计算软件来看， 很少 考虑 钢筋混凝土框架梁柱节点 在 罕遇地震 下 变形导致的 强度退化甚至破坏的因素。 综上所述，钢筋混凝土框架梁柱节点核心区存在着节点 变形 、 强度 退化等 问题， 在一定程度上影响着整体结构的性能。 因此，这就 需要一种 能综合 考虑 节点 剪切变形的节点 模型 ， 从而 对整体结构的抗震性能进行更加有效的分析。 目前节点研究存在的问题 [1][10] 从二十世纪七十年代到 现在 为止， 很多的 国内外专家学者进行 了 多次 节点 试验研究，取得了不少研究成果，但依然面临如下 一些需要研究和解决的问题： 第一章 绪论 6 1． 目前，在对于 钢筋混凝土框架结构 有限元分析和结构 设计 过程 中， 往往把节点看作是刚性的而忽略了节点变形的影响，这就造成了分析结果准确性的大大降低。 实际上 ，在地震 反复荷载 作用下，当结构进入 弹塑性 变形阶段 后 ，节点的变形 会 对 整体 结构产生很大的影响。 现在要 考虑节点变形 对整体结构的 影响 ， 主要 采用的是 梁端塑性铰法，它 的 主要 方法思想是 对连接梁单元进行刚度修正。 但是由于节点受力的复杂性，此方法的分析结果 存在较大误差。 2．影响 节点变形的因素有很多 ， 利用现有的节点分析模型进行结构分析时，只是有侧重 地考虑了其中的一部分因素，而忽略了另一部分因素。 例如假设节点 的 抗剪 强度满足 要 求， 而 忽略节点剪切变形的影响。 但实际上节点内部 的剪力增大到一定程度会导致节点核心区出现 剪切裂缝， 造成 节点强度 的迅速下降 和刚度的迅速 退化。 如不加考虑会导致计 算所得出 的 节点 强度和刚度 高于实际情况 ， 这样会使结构不安全 ，同时也 使 节点 的 剪切破坏被当作其它破坏形式来处理。 因此 我们 需要详细地 区分 节点的 各类 破坏形式与破坏特征 ， 提 出 一种 能综合考虑各种影响因素、反映节点不同破坏形式的统一的分析模型， 以便我们 能得到比较准确的节点 力 与 变形关系。 本文研究的主要问题和所采用的方法 由于节点本身受力 特征非常复杂 ，目前 对 框架结构进行地震反应分析时， 往往把节点看作是刚性的， 在整个结构受力过程中 认为节点 核心区 不 会 发生破坏， 从而忽略节点变形的影响。 实际上 ，对于钢筋混凝土框架节点而言 ， 当 结构进入 弹塑性 变形阶段 时，节点变形的影响会很大。 如果 在设计中对节点强度和承载力 不进行计算 ， 在地震作用下会导致 结构的整体变形 过大和结构的 抗震性能 降低。 因此，在结构分析中必须考虑节点的变形。 通过以往的 震害调查和试验 结果 分析 不难 发现 [3][10][11]， 框架结构整体变形 中由 节点变形所引起的 部分占有相当的比例，绝对不容忽视。 因此，节点的变形所产生的影响 要引起我们足够的重视。 节点的变形主要由 两部分组成： 节点的剪切变形和 梁纵筋的 粘结滑移变形。 由 于 节点受力 特点的复杂性和篇幅的限制 ， 因此 ，本文在进行节点抗剪机理分析时， 主要考虑轴压比、剪压比和配箍特征值 三个因素 对节点剪切变形的影响。 本文 首先对 以上三种影响因素 进行分析 ， 然后 采用有限单元法， 在整体结构分析中将节点作为节点单元来加以 考虑。 与以往的分析方法相比， 采用节点单元法 并 不需要 对连接梁单元刚度 进行修正，只是独立 对节点进行模拟分析，并可以 实现把 节点单元 引入长安大学硕士学位论文 7 目前使用 的刚性 节点 框架分析程序中来考虑 各种影响 节点变形 的 因素。 由于节点受力的复杂性和条件所限， 本文 主要 研究 的 是 节点的剪切变形， 至于 节点钢筋 的 粘结滑移变形所 引起 的 节点变形未进行分析。 当贯穿节点核心区的梁、柱纵筋直径 占 贯穿长度 的 比例大于一定值 （例如： 1/20）时， 粘结滑移变形 可以通过增大节点核心区剪切变形（ 或 降低节点单元剪切刚度）的方法来近似考虑。 本文在参考 许多的试验研究及学术文献 的 基础上，建立 了 符合节点实际的 节点剪力（ V） 剪切角（ γ）之间的滞回 关系曲线。 对 恢复力 曲线的 主要 参数进行了 分析和定义 ，在此基础上借助 SAP2020 为分析平台，应用 该 软件 非线性分析 功能 模块，对 考虑节点剪切变形的 框架进行 地震反应 分析，根据有限元计算结果，得到了 考虑 节点 剪切变形 框架 的 顶部 时程 曲线 ，并通过改变参数对影响节点剪切变形的因素进行深入分析。 通 过对考虑框架 节点剪切变形的研究，能够更加客观的模拟并反应框架结构在 地震作用下的弹塑性反应，使得计算结果更加符合工程实际，使其具有较高的工程应用价值。 第二章 框架节点抗剪机理 8 第二章 框架节点抗剪机理 节点核心区 剪力传递机制 [4][10] 框架梁柱节点核心区在开裂、通裂 、 极限 和破坏 四 个阶段的受力破坏过程中，其剪力的传递 在目前的研究中 主要 存在着 以下 几 种机制：斜压 杆机制、桁架机制、 约束机制 、组合块体 机 制 和剪摩 擦 机 制 等。 梁柱节点中的 “ 桁架机 制 ” 和 “ 斜压杆机 制 ” 模型（图 ）是在七十年代就由新西兰的 T. Paulay 和 R. Park 提出。 一 方面 ， 在梁端或柱端 由于受到压力和拉力的共同作用， 贯穿节点的梁筋和柱筋 把 很大 一部分力 通过 粘结效应以周边 “ 剪流 ” (shear flow)的形式 传 入节点， 此时 节点核心区 承受相应 的 主拉应力和 主 压应力的作用 ，使之形成了 典型的 “ 纯剪 ” 状态 ，由节点核心区混凝土来承担 剪力场所 形成 的斜向主压应力。 在斜向主拉应力作用下 ， 当核心区混凝土 出现 沿斜向 裂缝 后，主拉应力将 会 由 核心区 水平箍筋和节点 柱纵 筋 共同承 担， 由此 形成了 “ 桁 架机 制 ” (truss mechanism)；另一方面，由梁端和 柱端受压区混凝土传 递到 节点边缘的压力 ，也有 很大 一部分在节点中 转化成 斜向压力，由 一定宽度的斜向 核心区混凝土 柱来 承担， 此现象所形成的机构 称为 “ 斜压杆机 制 ”。 美国 ACI 352 委员会主张的 “ 约束模型 ” ，或称 “ 柱模型 ” ， 即认为可以把节点 核心 区看作 是 柱子中 剪力 作用 较大 一段。 因此，可以 把节点按照 柱端的做法，只要使节点中的箍筋 配置 达到 合理 的用量，即 “ 约束作用 ” 达到一定的水准，就可以 充分发挥 节点区的抗震性能。 依据这种理论 ，美国 ACI 318 规范和 ACI 352 委员会 提出 的设计方法 不进行节点抗剪计算 ， 而 只从构造 方面 确定箍筋 的配箍率。 (1)斜压 杆 机制 在核心区 受力的弹性阶段，核心区沿对角线方向存在数条近似相互平行的主压应力等值线，从而构成了对角压力区，这可说明斜压 杆 的存在。 在这个阶段中，混凝土并没有发生开裂，核心区中箍筋承受的力也很小。 此时主要 由混凝土来承担 节点核心区的剪力 ，即 沿 核心区对角线 方向的 压力，由虚拟的沿对角线 方向 的 “ 混凝土斜压 杆” 来承担，这就是“ 混凝土斜压 杆 机 制 ”。 当核心区没有 配置 箍筋或箍筋 不发挥作用 时， 节点的 承载力 则由 节点 核心区混凝土的承载力决定 ，这种 情况 发生 在 梁、柱承载力较 小 而节点核心 区 未 出现 严重 破 坏的 结构中 ，如图 (a)所示。 长安大学硕士学位论文 9 根据斜压杆 机 制 ， 节点核心区 抗剪强度 值的计算式 可取 为（ 此即为 混凝土斜压杆 抗压强度 极限值 的水平分量 ） ：  c o  cc bfV （ 21） 其 中： —考虑交叉裂缝 影响 的 混凝土强度降低系数 ； cb —柱截面 的 宽度 ；  —斜压杆和水平 线 之间的夹角 ；  —斜压杆 的 等效 计算 宽度。 C CV cV bV bC CV c  (a）斜压杆机 制 (b)桁架机 制 图 节点受力机 制 (2)桁架机制 当 柱端配有较密的的垂直钢筋 并且 节点核心区 配 有水平箍筋时 ，在反复荷载作用下，当节点承 担比较 大的剪力 时， 核心区 会 出现 多条 斜 裂缝 ，混凝土 的 斜压杆作用 减弱 ，绝 大部分剪力可假 设 由一个 虚拟的 桁 架机 构 来承担。 如图 (b)所示。 节点上的剪力分解成了与剪切裂缝平行的斜压力、水平拉力和垂直拉力。 节 点核心区的 水平拉力 由 水平箍筋承担， 垂直拉力 由柱的 垂直 纵 筋和 垂直箍筋 承担， 斜压力 由 斜裂缝 组成 的混凝土 柱(在箍筋约束下 )承担， 这种 力的 平衡 机制 称之为 “ 桁架 机 制 ”。 按照 这种 机 制 ， 混凝土 强度 、柱轴力、水平箍筋和垂直箍筋 是影响 节点核心区 抗剪强度 的主要因素。 此时，可 把柱轴力的影响 放 在混凝土抗剪能力中 加以体现 ，然后 再 由节点水平剪力求出水平箍筋，第二章 框架节点抗剪机理 10 由节点垂直剪力求出垂直 箍筋 的量。 桁架机 制 形成 原理 是： 在其它条件不变的情况下，核心区的主压应力值会随着柱子轴压比的增大和斜压柱区域的不断扩大，其值也随之增大，发展到最后整个核心区几 乎都会受压。 与此同时，核心区主拉应力迹线逐渐趋于平缓，且由主拉应力引起的斜裂缝的发展方向也随之变动，最后在节点核心区对角线两端的主拉应力逐渐增大，核心区中部的主拉应力逐渐减小。 因而 “ 八字形的裂缝 ” 可能首先出现在核心区的四个角部。 当作用于节点核心区的剪力值达到其抗剪极限值的 60%～ 70%时，就会在核心区产生很大的沿对角线方向的拉力和压力。 此时，核心区混凝土出现沿对角线的贯通裂缝，个别箍筋也会随着应力的突然增大而达到了屈服，从而导致节点的抗剪强度 显著下降 ，此时节点就进入通裂阶段。 不断 施加反复荷载 直 到梁中纵筋屈服 时，节点核心区的混凝土出现多条 相互平行的 沿对角线的通长裂缝。 与此同时 ，核心区的 水平 箍筋 承担的剪力逐渐增大 ， 箍筋会 逐渐 屈服。 虽然斜压杆机 制 和桁架机 制 的传力原理比较明确，但对这两种传力机构在节点不同受力阶段的定量界定还不是很清楚。 重庆大学的傅建平等提出了 “ 梁、柱简支杆模型 ” ，利用这一模型可在已知节点周边梁、柱端正截面受力状况的前提下，确定梁端为对称配筋或不对称配筋时，节点核心区以上两类传力机 制 分别分担的节点剪力的比例。 (3)约束机制 近年来 ，国内外的 一些学者 认 识到 如果不 考虑节点水平箍筋 约束作用 对核心区混凝土 受斜压所 发挥的 重要 作用 ， 就将无法 揭示 水平箍筋各肢的应变 随应力 增长 的 规律。 因而， 他们认为节点核心区除 存在着 斜压杆机构和桁架机 制 外 ， 还存在 着 另一种不可忽视的 机 制 “ 约束机 制 ” （如图 ）。 约束机 制 是由约束核心区混凝土的箍筋 与 被约束的核心区混凝土 两者 相互作用所形成的结构。 从 20世纪 80年代 中 后期 开始 ， 日本 著名学者 北山和宏、小谷俊介 以及 青山博之等 为了 验证这种 机 构的存在，他们通过测定平行加载方向的节点箍筋 的应变 变化规律，在试件设计中，他们将节点核心区两个方向的箍筋按单肢进行设置 ， 最终 得出了 试验结 论 ： 平行于加载方向 的箍筋 不仅 要承 担 由桁架机构引起的拉力 ， 又要承受 核心区 混凝 土由于 斜向受压 导致 横向膨胀所引起的 被 动约束拉力 ； 与 加载方向 垂直 的箍筋承受斜向受压混凝土横向膨胀产生的被动约束力。 由此 证明了约束机 制 的存在。 约束机 制 虽然不直接参与节点。