不同类型混凝土框架节点抗震性能对比分析pdf

维普资讯．21，No．12005年2月StructuralEngineersFeb．20O5不同类型混凝土框架节点抗震性能对比分析朱晓晖肖建庄张建荣(同济大学，上海200092)提要本文总结了国内外几类混凝土(包括普通混凝土、高强混凝土、轻骨料混凝土、纤维混凝土、再生混凝土等)框架节点抗震性能的研究成果，分析了各类型混凝土节点变形、延性与耗能的特点与影响因素，介绍了国内外提出的各类型混凝土节点抗剪承载力计算公式，可供混凝土节点进一步研究参考。关键词混凝土，框架节点，抗震性能InvestigationonSeismicBehaviorofFrameJointswithDifferentTypeofConcreteZHUXiaohuiXIAOJianzhuangZHANGJianrong(TongiUniversity，Shanghai200092)AbstractThispaperinvestigatesresearchachievementsofseismicbehaviorofframejointsmadeofdifer-enttypesofconcrete，includingonventionalconcrete，highcstrengthoncrete，lightc-weightconcrete，fiberreinforcedconcrete，andrecycled-aggregateoncretecetc．Factorsthatinfluencedeformation，ductilitynadenergydissipationofeachtypeofconcretejointareanalyzed．Andshearingcapacityformulaeofthesejointsareintroduced．Thecontentofthispapercanbereferredinfurtherstudyonjointsofnewtypeofconcrete．Keywordsoncrete，framecjoint，seismicehaviorb1引言．近年来，由于建筑结构上的需要和建筑材料节点抗剪承载力一般为两部分组成，一是水的不断发展，出现了许多新类型的混凝土，如高强平箍筋的抗剪承载力，国内外所用计算方法基本混凝土、轻骨料混凝土(主要为陶粒?昆凝土)、纤维相同，即?昆凝土(包括钢纤维混凝土、PVA纤维?昆凝土等)(2)以及再生混凝土等，这些混凝土各有其独特的物另一个是核心区混凝土的抗剪承载力，国内理力学性能，用不同混凝土浇筑框架结构将在一外采用了不同的计算方法，列于表1。定程度上改变节点的抗震性能。本文综合介绍历年来对这些不同类型混凝土节点的研究进展情2．2节点的破坏特点与裂缝分布况，供研究人员和工程技术人员参考。国内外几次大地震的震害表明，钢筋混凝土2普通混凝土框架节点研究框架梁柱节点在竖向荷载和地震水平力作用下，将受到很大的剪力，使核心区剪切破坏。轻则产生2．1节点承载力斜裂缝或交叉裂缝，重则核心区混凝土酥碎成块，箍筋外鼓或崩断，柱子纵筋压曲呈灯笼状。梁柱节节点抗裂承载力通常以弹性分析为基础，节点的滞回曲线变化过程是从初始阶段的梭形迅速点箍筋开裂前应力很小，忽略其作用。用下式计过渡为反S形，因此节点区的耗能能力及延性都算抗裂承载力[5]：相对较差。维普资讯·53·结构工程师第21卷第1期区的抗剪承载力随着配箍率的增加而提高。但核心区配箍率的改变对滞回曲线的特性的影响不明显。^范’】2．3梁纵筋的粘结滑移与锚固在循环往复荷载作用下，节点核心区内可产生很大的粘结应力，从而迅速导致核心区内梁纵筋粘结破坏，并使梁筋受压一边也迅速转为受拉，导致梁纵筋在节点核心区贯通滑移。这种纵筋滑移破坏了节点核心区剪力的正常传递，使核心区抗剪承载力降低，同时也明显降低了节点的刚度和耗能能力。2．4柱子轴压比对节点抗震性能的影响节点作为梁与柱的交汇部位，其性能也受到柱子轴压比即N／(厂cbh)的很大影响。研究表．明J：在核心区配箍率一定的情况下，当N／(fobh)≤0．5时，节点的抗剪承载力、延性与耗能能力随轴压比的增加而提高，但是提高的幅度不大。当N／(fobh)0．5时，节点的抗剪承载力、延性与耗能能力随轴压比的增加基本不再提高，甚至有所下降。轴压比的改变对滞回曲线的特性的影响不明显。2．5节点核心区配箍对节点抗震性能的影响研究表明t5]：节点破坏过程中，配箍率影响屈服时节点核心区的裂缝分布，配箍量较少的试件，斜裂缝较少且集中，裂缝宽度较大；而配箍量较大的试件，斜裂缝较多且分布范围较广，裂缝宽度较小。节点核心区中各层箍筋的应变差异较大，中间箍筋应变大，距离中间层越远，其应变值越小。配箍率越小，这种差异越大，这表明在核心区中部斜裂缝较宽。在轴压比一定情况下，节点核心3高强混凝土框架节点研究3．1节点承载力陈肇元等9认为随着混凝土强度的提高，节点的抗剪承载力也相应提高，但抗剪承载力与混凝土强度比值却有所降低。对C50～C70高强混凝土，混凝土结构设计规范【7J计算公式可用，但对更高强度的混凝土应作适当修正。混凝土结构设计规范使用现在较通用的公式来计算节点核心区的抗剪承载力，但并没有象梁正截面分析和斜截面分析那样考虑随混凝土强度提高、承载力提高速度减缓的问题，也没有对C50～C80强度混凝土节点提出修正公式。Ehsani等【9]做过的高强混凝土边柱节点试验研究，该试验得出高强混凝土(厂=66MPa)节点最大剪应力对于边节点为0．87(f)MPa。刘翠兰等【t0,tl】使用普通混凝土节点抗裂承载力计算公式【I2J计算高强混凝土节点抗裂承载力，并和试验结果比较，表明随高强混凝土的强度增加，节点核心区抗裂承载力和梁端初裂弯矩均有所提高。3．2节点破坏特点及裂缝分布陈肇元等【9J认为，C50～C70的高强混凝土节点破坏过程与普通混凝土节点相似，经历了初裂、通裂直至破坏。赵成文等【J描述了高强混凝土节点的破坏过程：节点混凝土开裂前，即主拉应力小于混凝土的抗拉强度，主拉应力基本由混凝土承担，此时核心区箍筋对节点核心区棍凝土的初裂强度影响很小。初裂缝一般位于核心区对角线中心部位，继续加载初裂缝向两端延伸，同时伴有与之相平行的斜裂缝出现，直至达到通裂。此时核心区箍筋应变明显增大，靠近核心区中部的箍筋已达到屈服强度。通裂荷载时的裂缝宽度达到0．3mm左右，通裂荷载与极限荷载的比值约0．8。从通裂荷载到极限荷载一般仅经历2～3个循环，节点核心区进入破坏阶段后，承载力逐渐下降，斜裂缝明显增宽，且在反向荷载作用下不再闭合，核心区中心部位的混凝土保护层开始脱落，节点核心区的强度和刚度退化较快，最终由于节点核心区混凝土被压酥而导致其丧失承载能力。试维普资讯．21，No．1·54·StudyofDesignMethod件破坏时，核心区混凝土保护层脱落50％以上。另外，从斜裂缝破坏形态可以看到，与斜裂缝相交的粗骨料几乎全部被劈开，裂缝面较为平滑。3．3节点变形、延性与耗能能力陈肇元等J认为在轴压比、配箍率相同的条件下。高强混凝土节点的变形能力较普通混凝土节点差。刘翠兰等【10,11J的高强混凝土框架节点试验结果表明：虽然配筋率相同时，节点混凝土强度越低延性越好，功比指数也越大。但总体来说，梁端破坏节点的延性系数均达到4．0以上，功比指数f27．0，满足工程要求。而节点核心区破坏节点相比梁端破坏节点延性系数、耗能指标均偏小，应采取措施避免。3．4柱子轴压比对节点抗震性能的影响柱子轴压比对节点抗震性能影响与普通混凝土类似，但普通混凝土节点轴压比界限值为0．5，高强混凝土节点为0．6，有一定程度提高。节点在反复荷载作用下，早期刚度就有所降低，屈服时位移较大，在后期的荷载循环中，刚度和承载能力进一步退化，导致荷载一挠度滞回曲线产生严重捏缩现象，吸能与耗能的能力减弱。徐晓霖等[I4]通过轻骨料混凝土边节点与普通混凝土边节点对比试验进一步发现，轻骨料混凝土节点本身刚度较小，屈服位移较大，而极限位移相差不大，因此试件有效位移延性系数较小。其耗能能力也较低(该试验中约低18％)。该文献同时认为轻骨料混凝土中节点不同于边节点，其延性与耗能下降应更为为严重，因为边节点中梁主筋采取弯折锚固，不可能发生象中节点梁主筋的整体滑移，这种贯通滑移破坏了节点核心区剪力的正常传递。明显降低了节点的刚度和耗能能力，同时也进一步降低了核心区的抗剪承载力。文献通过试验所得的核心区荷载一剪切变形曲线，发现核心区在裂通前刚度较大，而裂通后刚度下降，节点核心剪切变形成倍增长，到极限荷载时，节点核心的剪切变形所引起的梁端位移占总位移49％。4轻骨料混凝土框架节点研究4．4梁纵筋的粘结滑移与锚固4．1节点抗剪承载力Bertero，V．v¨6J的试验表明，轻骨料混凝土节点区梁纵筋在早期就发生整体滑移，而普通混钢筋轻骨料混凝土节点核心区的抗剪承载力凝土节点在△=5．4时才发生。文献推测轻骨料较之普通混凝土节点有一定的降低[14,15]，因此，徐混凝土发生早期粘结退化的原因是轻骨料混凝土晓霖等【lJ建议对轻骨料混凝土节点抗剪能力在普比普通混凝土弱且多孔，在低应力情况下就可能通混凝土节点计算公式基础上考虑抗剪承载力降被变形钢筋的肋剪坏和压碎。徐晓霖等【14]通过梁低系数∞的影响，并建议∞取0．8。公式如下：纵筋在节点内锚固段应变数值，发现轻骨料混凝r土节点在梁筋屈服前。钢筋拉力主要由直线段承担；梁筋屈服后，弯折段抵抗的拉力越来越大，在弯折后15d处的应变已gl~4,。而且轻骨料混凝现行轻骨料混凝土结构设计规程[15]中节点土节点在反复荷载作用下，梁端的固端转动也较抗剪强度计算公式也与上式相似，只是取0．普通混凝土节点大(试验中约大34％左右)，因此75。有更大的富余系数。认为轻骨料混凝土节点内梁主筋的粘结滑移性能4．2节点破坏特点及裂缝分布比普通混凝土差。高永孚[”]的试验表明，中节点梁纵筋滑移严重，易产生锚固破坏。徐晓霖等¨】通过轻骨料混凝土节点与普通混凝土节点对比试验，显示轻骨料混凝土节点破坏过程类似于普通混凝土，经历了核心区初裂、通裂、极限和破损4个受力阶段，但节点核心区初裂发生较早，裂缝开展情况与普通混凝土类似。4．3节点变形、延性与耗能能力Bertero。V．vL16]的试验表明．轻骨料混凝土5再生混凝土框架节点研究VCorinaldesi[1a]近期完成了再生混凝土节点的初步研究，进行了100％再生粗骨料取代率再生混凝土节点与普通混凝土节点的对比试验，并研究在再生混凝土中掺加粉煤灰对节点性能的影响。试验用再生混凝土的强度、弹性模量均低于普维普资讯·文献综述··55·．结构工程师第2l卷第l期通混凝土，但钢筋与混凝土粘结强度则再生混凝土略高于普通混凝土。试验的塑性铰出现在梁端，试验的滞回曲线基本呈梭形，无大的捏缩。试验结果表明。100％再生粗骨料取代率再生混凝土节点的耗能能力比普通混凝土节点略有降低，但降低幅度很小。在再生混凝土中掺加粉煤灰不仅能提高再生混凝土材料的强度、弹性模量、与钢筋的粘结强度，而且能提高节点的延性、增大节点耗能能力。6纤维混凝土框架节点研究6．1节点承载力钢纤维能提高混凝土节点抗裂和极限承载力。目前钢纤维混凝土节点抗剪承载力计算公式通常在现行规范钢筋混凝土节点抗剪公式的基础上，增加钢纤维作用一项。公式[19]如下：vjf=Vc+Vf+Vs．=0·1(1+)6j^j+2v[bihi寺+厂y(hbo一口。)(4)而普通混凝土梁的主要裂缝出现在距柱面15～20cm范围。一条主裂缝出现在柱边。节点核心区也有一些发丝裂缝。杨开建[19]的试验中钢纤维混凝土的范围除布置在节点核心区以外，部分节点将钢纤维混凝土扩展到梁端塑性铰区，试验中钢纤维混凝土节点核心区初裂裂宽为