本站原创【摘 要】框架结构安全可靠性是满足抗震的需要,结构形式对于抗震具有良好的性能,而框架节点是框架结构中最重要的组成部分,也是框架结构中很特殊的部位,其受力状态相对复杂.本文对其分析探讨.
【关 键 词】框架结构节点；受力机理；节点核心区；抗剪强度；节点延性
钢筋混凝土框架结构其安全可靠性主要是满足抗震的需要,框架结构形式对于抗震具有良好的性能,使得这种结构形式得到广泛应用.现在常见的框架结构有3种体系,即内框架,纯框架和框架——剪力墙结构体系.不论采用何种框架结构,都有框架节点存在.钢筋混凝土框架节点是框架结构中最重要的组成部分,也是框架结构中很特殊的部位,其受力状态相对复杂.柱既起到向下传递内力的作用,又是梁的支座点,接受本层梁传递过来的弯矩和剪力,有时还可能产生扭矩.框架结构梁柱节点连接处的强度,刚度和稳定性对整体性能及结构的安全承载有着非常重要的影响.对此有必要对其各项性能进行综合分析考虑,以满足该重要部位达到切实安全可靠.
1.节点部位受力机理
1.1不同类型节点受力的特点.按照不同建筑节点部位梁柱数量的不同需要,可以将框架节点分为L形,T形和十字形3个类型,不同类型节点的受力状态有很大的差异性,节点核心区受力比较复杂,极容易产生破坏现象.如顶层边柱节点是一个L形节点.其梁柱内的钢筋都要在核心区域锚固,受到荷载后节点受张开或闭合的弯矩,纵向筋容易出现锚固破坏.顶层的中间柱节点是一个T形节点,梁筋可以直接通过节点区域而未得到锚固,在水平荷载作用下柱的抗弯能力比梁的抗弯能力要弱,因此柱端容易产生塑性铰.对于水平向的T形节点强柱弱梁容易得到保证,但是钢筋的施工锚固很难做到,极易出现梁筋和柱筋位置的移动现象.框架四角角柱的的节点受相交成直角的两梁传来的弯矩剪力,会形成角柱双向偏心受压并受力的不利现状.而十字形的中柱节点由于四周有梁的束缚是比较安全的,如果在遇到强烈地震作用下,节点两侧的梁端可能会受到较大的剪力,极有可能产生核心区域的剪切破坏现象.
1.2节点核心区域受力状况.
（1）对于节点核心区域受力以十字形节点进行分析,表明节点核心区域的受力状态.其它类型的节点与其基本相似.对于典型的梁柱相交十字形节点,作用在节点的梁端和柱端的弯矩（Mb.Mc）可转化为钢筋拉力（Ts）和受压钢筋压力（Cs）,混凝土受压区压力（Cs）组成的力偶.拉应力通过钢筋粘结应力的方式传入节点核心区,在节点核心区形成正交的斜向压应力场和拉应力场,因而在核心区混凝土在反复荷载下容易产生交叉的正交斜裂缝,引起节点的强度,刚度以及抗震能力的降低.梁的纵筋通常以连接贯通的形式通过节点,受交变荷载时其一边是拉屈服,而另一边则是压屈服.如此反复循环使粘结失效后会发生贯穿滑移破坏.从而造成节点刚度和耗能下降,并且破坏了节点核心区剪力的正常传递,使核心区受剪承载力降低.在正常情况下,受压力和剪切力的双重作用时的混凝土,在压力不高时则抗剪强度随压力的增加而提高,但是当压力提高到一定程度后,抗剪强度会随压力的增加而降低.
（2）一般情况是在轴压比大于0.6时,抗剪强度随轴压力的增加反而降低.混凝土在受拉力和剪力的共同作用时,抗剪强度随拉应力的增加而降低.因此减少核心区混凝土的拉应力是正确的,主要是可以提高其抗剪强度.
1.3节点核心区的传力处置.
（1）首先,是斜压杆处置：适用于节点核心区的箍筋较少或是没有配置的情况.核心区混凝土的受压区形成斜压杆,梁柱传来的剪力主要由节点核心区的混凝土斜向拉杆承担；其次,对于桁架的处置：适用在箍筋相对密集的情况,节点在反复荷载应力作用下,核心区产生多条剪切裂缝,形成一条又一条斜压杆,与水平箍筋充当的拉杆一起形成桁架,承担核心区剪切力.再次,约束处置：箍筋与核心区混凝土相互作用形成的约束处置机构,此处置机构虽然不直接参于传递节点剪力.
（2）但是可以使节点的抗剪能力维持到节点组合体在达到更大变形时,是确保节点区抗震性能的一种节点受力处置措施.最后,剪摩擦的处置：当水平箍筋受拉屈服时,核心区混凝土遭遇受剪切破坏,沿着对角线的剪切裂缝将核心区分为两个部分.剪力的一部分由箍筋承担,而另一部分由两个部分混凝土在斜裂缝处的滑动摩擦力所抵消.2.节点的强度处理.
2.1节点的受力特性.按照现代结构力学理论的分析可以得出的结论是：左竖向荷载作用下,梁柱节点核心区则是受剪力较小,边柱节点核心区受剪力较大.在水平荷载作用下,节点受水平剪力较大,一般是柱子的5倍左右.在水平剪力和轴向压力的共同作用下,节点核心区会产生很大的斜拉力,使混凝土产生斜向裂缝,易发生剪切破坏.此外,梁的纵向钢筋粘结的应力是很大的,当出现超过粘结强度时钢筋会发生位移,形成锚固处破坏.
2.2节点抗剪强度的影响因素.
（1）轴向力：轴向压力是在一定范围内对节点抗剪是有利的,但是对于是否能提高节点极限抗剪强度存在需要更进一步的实验证明.目前一般认为,轴压比不大于0.6时,有利于节点的抗剪力,可以提高节点的延性,减轻和降低节点破坏程度.
（2）水平箍筋：当混凝土初始裂时节点抗剪能力不受箍筋多少的影响,节点抗剪强度和配箍率之间是非线性的,抗剪强度不是按照（Vc+Vs）那样按比例增加,而且配箍率过高会引起混凝土破坏先于箍筋屈服的后果,使节点核心区的抗剪强度达不到预计的最大值.
（3）柱子的纵向钢筋：柱子纵向钢筋对节点的抗剪是有利的,但不象增加水平箍筋那样能提高节点的抗剪强度明显.对于直交梁,对提高核心区的抗剪强度作用明显.
（4）垂直钢筋：在反复荷载作用下,节点核心区混凝土当出现交叉裂缝后,剪力的传递由斜压杆的作用过渡到由水平箍筋承受水平应力；柱纵筋和混凝土承担垂直力及平行于斜裂缝的混凝土粗骨料咬合力构成的框架剪力设置,设置垂直钢筋可承担节点剪力的垂直体量,以减小混凝土的负担,达到提高节点强度,节点延性也有明显增加,但抗初裂强度并未提高.（5）楼板和梁腋：楼板具有增强节点的约束和提高梁的抗弯能力的作用.对梁和腋使节点抗剪的有效体积会有增加,可以提高抗剪强度和刚度,利于提高实现强柱弱梁的做法.
（6）预应力作用：沿着梁柱轴线施加预应力,提高节点的初裂荷载和极限的抗剪能力,同时也提高了梁的抗弯和抗剪强度.由于抗弯钢筋主要是非预应力筋,因此,梁耗损能量的性能基本不受预应力的影响.
（7）偏心受力：同梁柱无偏心的实际相比,偏心受力的承载能力要降低60%左右的幅度.
（8）反复循环荷载：反复循环荷载是正否两个方向应力交替变化的荷载,在承受非弹性变形的反复荷载作用下,材料强度和结构刚度大幅降低,粘结握裹脚力下降,剪切变形增加,促使核心区斜向裂缝不停顿的张开和闭合,造成抗剪强度和剪切刚度的逐ę 76;降低.
3.节点处变形状态
为了对节点处变形有更直接清晰的认识,重点考虑节点各部位的变形与框架层之间的变形关系.在水平荷载力作用时,框架层之间的位移△可以分解为4个部分：
（1）即由梁变形引起的柱顶位移△cb；由柱变形引起的柱顶位移△cc；由节点核心区剪切变形引起的柱顶位移△cj；由梁端对柱边转动所引起的柱顶位移△cr.
（2）节点的变形主要包括节点核心区的剪切变形和梁端对柱边的转动,这种转动是梁筋滑移（从柱中拔出）而引起的.也就是说当结构进入非弹性阶级后,承受者高弯曲,高剪切和轴向力的节点区将产生弯曲变形（梁柱杆件）,剪切变形（节点核心区）和滑移变形（梁端对柱边的转动）这3种非弹性的变形.
（3）梁柱杆件的弯曲变形是不可避免的,通过弯曲变形可以吸收和消耗地震能量.但是,剪切变形和滑移变形会造成滞回环变窄,（倒S形）,耗能减少,结构位移量增大.因此应把剪切和滑移的作用减少至最小程度,这就是对节点变形的考虑要求.对于按照抗震设防标准要求设计的节点进行试验求出,,一般控制在△cc/△<1%,△cb/△约在60%～70%之间,△cj；/△约为15%～25%之间,△cr/△约在10%～15%之间.所以,如果在加固节点时,必须要提高节点核心区抗剪切变形能力.
4.节点的延性需求分析
（1）节点的延性是反映结构及构件使用材料的塑性变形能力.对于节点处的延性要求,主要是对邻近核心区的梁端和柱端来说.梁端和柱端如果有良好的变形能力,即使出现塑性铰也不至于出现梁柱的剪切破坏.对于节点核心区并不要求延性较大,而是需要较高的强度和刚度,以确保在梁上塑性铰出现之前,不要发生核心区剪切破坏和锚固钢筋的破坏.
（2）对于框架和框剪体系之类的抗侧力构件,首先是由一些杆件通过去节点组成一个可承载的杆件系统,在外荷载作用下,,一旦节点发生破坏,整个构件就会变成几何可变体系而失去承载力.对于钢筋混凝土框架结构来说,节点的破坏还将引起梁端和柱端钢筋在节点核心区的锚固失效,梁铰机制不可能实现.现行的钢筋混凝土设计规范对于节点的构造措施是：为防止梁柱节点区域斜裂缝的出现,并使节点区域混凝土对钢筋有良好的约束腰效果,保证梁柱在节点区域的有效锚固,建筑抗震设计规范GB50011-2001规定了框架节点核心区箍筋的最大间距和最小直径,节点核心区配筋特征值及体积配筋率.为使节点区域截面能充分发挥受剪承载力,规定梁最小截面宽度不宜小于200mm.试验结果指出,正交梁的存在可使柱节点区域截面的受剪承载能力提高50%左右.对此考虑梁高度宜取（1/8-1/12}L（L为梁跨度）,并且不小于500mm,纵梁底部比横梁底部应至少高出50mm,且在设计中采取正交梁柱的处理,这样既有利于钢筋的布置,又可以提高结构的安全度.从节点受力状态分析,在侧向力作用下框架节点区域承受着很大的斜拉力和斜压力.由于地震作用的往复性,在节点区域配置斜向交叉钢筋,与普通配置水平箍筋节点比较,其受剪承载力增加较多,这是改善节点耐震性能的一个有效措施.
（3）另外由于框架纵筋在节点区域的锚固,除了满足水平锚固长度0.4LaE外,垂直锚固应向节点区域竖向弯曲艺.为了满足钢筋与混凝土之间粘结的牢固性,结构构件之间的连接,节点核心区的混凝土强度等级要求也必须满足现行规范的实际需要.