鋼筋混凝土框架變梁異型節(jié)點(diǎn)的有限元分析

田葉軍

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030013)

0 引言

在實(shí)際工程中，鋼筋混凝土框架變梁異型節(jié)點(diǎn)始終存在于各類建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中，此節(jié)點(diǎn)顯著特點(diǎn)是連接柱兩側(cè)的梁截面高差較大。事實(shí)證明，汶川地震發(fā)生后，調(diào)查表明，此類節(jié)點(diǎn)的破壞較為嚴(yán)重，分析發(fā)現(xiàn)變梁異型節(jié)點(diǎn)受力性能明顯不同于常規(guī)節(jié)點(diǎn)。而在工程設(shè)計(jì)中，GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中指出，計(jì)算節(jié)點(diǎn)區(qū)抗剪承載力時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)柱兩側(cè)梁截面高度有高差時(shí)取平均值法來計(jì)算，從歷次地震分析中表明，此種簡化的計(jì)算方法雖然可以滿足工程中的計(jì)算問題，但是從概念或者經(jīng)驗(yàn)意義上考慮，此計(jì)算方法缺乏充足的理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文對(duì)鋼筋混凝土框架變梁異型節(jié)點(diǎn)的梁端兩側(cè)施加反對(duì)稱荷載，以此模擬節(jié)點(diǎn)在遭遇地震作用時(shí)的實(shí)際受力情況，從而分析出變梁異型節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)在地震作用下的實(shí)際破壞機(jī)制。

1 工程實(shí)例

本文對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的梁柱節(jié)點(diǎn)單獨(dú)進(jìn)行研究，研究時(shí)為保證節(jié)點(diǎn)在梁、柱鉸未出現(xiàn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)已開裂并伴隨裂縫發(fā)展，故將此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為“強(qiáng)構(gòu)件弱節(jié)點(diǎn)”的形式。

取框架柱截面為400 mm×400 mm，框架大梁截面為200 mm×700 mm，框架小梁截面:模型一200 mm×400 mm，模型二200 mm×500 mm，模型三200 mm×600 mm，各模型大小梁配筋均采用上下各3φ18，箍筋采用φ8@100(2)，柱配筋均采用8φ20，對(duì)稱布置，節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)處箍筋采用φ8@150(2)，柱上下端箍筋采用φ8@100(2)，梁柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C35。計(jì)算模型見圖1。為更精確地模擬節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)受力情況，將各模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)劃分尺寸均取為50 mm。

2 計(jì)算模型單元建立

2.1 模型加載方案

由結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)得出，在地震作用參與下梁端兩側(cè)的剪力較大，因此在選取模型構(gòu)件長度時(shí)，梁長度均取自梁端箍筋加密區(qū)長度，而柱上下側(cè)均取自層反彎點(diǎn)位置處。其加載方案圖形如圖2所示。

在模擬試驗(yàn)過程中，對(duì)柱選施加恒定的軸壓比為0.3的軸壓力，然后對(duì)上述梁柱組合體施加正反對(duì)稱豎向荷載，其加載終止條件:節(jié)點(diǎn)一側(cè)梁上部縱筋和另一側(cè)下部縱筋基本同時(shí)屈服。

2.2 模型加載邊界條件

在ANSYS軟件中，將對(duì)柱底部與頂部及梁端部做如下處理:

1)考慮對(duì)柱底部所有節(jié)點(diǎn)約束Y方向的自由度，在其中心節(jié)點(diǎn)處約束XYZ三個(gè)方向的自由度。對(duì)柱頂部，約束中心節(jié)點(diǎn)處XZ向自由度，以此來模擬柱上下端鉸接的實(shí)際情況。

圖1 計(jì)算模型

圖2 異型節(jié)點(diǎn)正反對(duì)稱加載試驗(yàn)示意圖

2)為避免豎向集中荷載作用下在梁柱端應(yīng)力集中對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生過大的影響，故在模型的柱底部、頂部、梁端部荷載集中處設(shè)置Soild45剛性墊塊，墊塊尺寸與梁柱截面相同。

3 計(jì)算分析

3.1 核芯區(qū)劃分

為了更準(zhǔn)確地?cái)⑹龉?jié)點(diǎn)核芯區(qū)破壞的機(jī)理，現(xiàn)將節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)做以下劃分:

如圖3所示，把小梁與柱形成的區(qū)域ABCD稱為小核芯區(qū)，大梁與柱形成的區(qū)域ABEF稱為大核芯區(qū)。

3.2 梁端施加對(duì)稱荷載時(shí)各模型破壞形態(tài)

變梁異型節(jié)點(diǎn)與常規(guī)節(jié)點(diǎn)不同的是柱兩側(cè)的梁高差較大，梁的線剛度比相差較大，但從模型一、三在加載破壞過程來看，變梁異型節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)均出現(xiàn)明顯的剪切破壞，且從裂縫的發(fā)展來看，都經(jīng)歷了初裂、通裂、極限和破壞四個(gè)階段，如圖4，圖5所示。模型一、三正反對(duì)稱荷載下的應(yīng)力流圖見圖6～圖9。

圖3 核芯區(qū)劃分示意圖

圖4 模型一裂縫發(fā)展圖

圖5 模型三裂縫發(fā)展圖

圖6 模型一正對(duì)稱荷載下應(yīng)力流圖

圖7 模型三正對(duì)稱荷載下應(yīng)力流圖

圖8 模型一反對(duì)稱荷載下應(yīng)力流圖

圖9 模型三反對(duì)稱荷載下應(yīng)力流圖

3.3 各模型破壞形態(tài)下的結(jié)果對(duì)比

從上述圖形可以得出共同點(diǎn):

1)地震作用下的變梁異型節(jié)點(diǎn)，在破壞完全符合斜壓桿機(jī)理，即在初裂階段，混凝土斜壓桿控制著節(jié)點(diǎn)區(qū)的抗剪承載力(主要由混凝土自身的抗剪來承擔(dān))。

2)節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞時(shí)，裂縫的發(fā)展主要集中在小核芯區(qū)域，因此在實(shí)際工程中，當(dāng)遇到變梁異型節(jié)點(diǎn)時(shí)，其抗剪承載力大小主要取決于小核芯區(qū)(面積大小、配筋率、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等)。

3)小核芯區(qū)以外的大核芯區(qū)，在破壞階段，其混凝土應(yīng)力值相比小核芯區(qū)較小，表明此階段的大核芯區(qū)裂縫較少，這也證明了大核芯區(qū)對(duì)小核芯區(qū)的斜壓桿混凝土膨脹有一定的約束作用，從而有助于提高小核芯區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度。

從上述圖形可以得出異同點(diǎn):

1)模型一:隨著荷載的不斷增加，變梁節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)在極限階段時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)形成明顯的“X”形對(duì)角主斜裂縫，且從模型一正(反)對(duì)稱荷載下節(jié)點(diǎn)區(qū)的應(yīng)力流圖可以直觀的看出，在小核芯區(qū)域，其AC，BD向應(yīng)力值最大，而在大核芯區(qū)域，應(yīng)力值較小，從而可以看出:此類節(jié)點(diǎn)在地震作用下破壞時(shí)，主要是以小核芯區(qū)剪切破壞為主。

2)模型三:隨著荷載的不斷增加，小核芯區(qū)的裂縫開始向大核芯區(qū)發(fā)展，由于其節(jié)點(diǎn)高差相差不大(接近常規(guī)節(jié)點(diǎn))，故此過程不是十分明顯。從以上模型三正(反)對(duì)稱荷載下節(jié)點(diǎn)區(qū)的應(yīng)力流圖可以看出，節(jié)點(diǎn)區(qū)的最終破壞模式是在大核芯區(qū)形成“X”形的剪切裂縫，即大核芯區(qū)發(fā)生剪切破壞，裂縫間距較大。從圖中還可以看出，在梁高差范圍內(nèi)，也出現(xiàn)了許多密集的斜向裂縫，說明其破壞形式與常規(guī)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)十分相似。

4 結(jié)語

鋼筋混凝土框架變梁異型節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的裂縫發(fā)展及破壞形態(tài)與梁截面高差變化有著密切地聯(lián)系。柱截面兩側(cè)梁高差越大，節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)在遭遇地震作用時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土受剪面積較小，由此引發(fā)的核芯區(qū)剪切破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重，故在工程實(shí)際中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到此類節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理，在設(shè)計(jì)此類節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施(如:小梁加腋、增大節(jié)點(diǎn)區(qū)配箍率、適當(dāng)增大軸壓比、適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度等)，以保證節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)有足夠的抗剪承載力。

［1］吳 濤，劉伯權(quán)，邢國華.鋼筋混凝土框架變梁異型節(jié)點(diǎn)抗震［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

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