偏心鋼筋混凝土梁柱節(jié)點的抗剪承載力分析★

劉 瑩

(煙臺大學土木工程學院，山東 煙臺 264005)

1 概述

鋼筋混凝土梁柱節(jié)點是框架結(jié)構(gòu)承受橫向水平地震荷載的關(guān)鍵部位，在受載時具有傳力樞紐的作用，除了承受相鄰梁、柱傳遞的彎矩和剪力外，當梁、柱中心線不重合時，梁柱節(jié)點受載過程中會產(chǎn)生扭矩作用降低節(jié)點的抗剪承載力。在震后勘察中發(fā)現(xiàn)，節(jié)點剪切破壞導致大量的鋼筋混凝土建筑倒塌，造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失[1-3]。

在工程實踐中，由于外觀等建筑細節(jié)的幾何約束，偏心梁柱節(jié)點并不少見。目前我國《建筑抗震設計規(guī)范》[4]僅通過規(guī)定核芯區(qū)的截面有效驗算寬度考慮偏心節(jié)點的力學性能，并未對偏心梁柱節(jié)點的抗剪承載力進行單獨說明，尤其是對無合理抗震設計的偏心梁柱節(jié)點的研究較少。為了保證建筑結(jié)構(gòu)安全，避免梁柱節(jié)點的剪切破壞，需要對規(guī)范方法的適用性進行評估。

雖然將我國香港劃分為7度抗震區(qū)，但目前仍然存在大量未考慮抗震設計的框架結(jié)構(gòu)。本文以香港某現(xiàn)存偏心梁柱節(jié)點為研究對象，通過試驗方法測試了其抗剪強度，并與各國規(guī)范的計算結(jié)果進行對比分析。

2 工程實例計算與分析

2.1 偏心梁柱節(jié)點試件

偏心鋼筋混凝土梁柱節(jié)點的尺寸和配筋信息如圖1所示，節(jié)點側(cè)面橫梁的長度取到跨中，節(jié)點上、下兩側(cè)柱取反彎點為截斷點，柱截面尺寸為300 mm×300 mm，梁截面尺寸為150 mm×450 mm，混凝土保護層厚度c=25 mm，鋼筋型號為HRB500，偏心距為75 mm(bc/4)，標準混凝土立方體試塊抗壓強度為40.1 MPa。

2.2 試驗加載方案

加載裝置如圖2所示，試驗過程中保持柱端軸力不變(軸壓比為0.1)，然后在梁端施加水平往復荷載，加載制度如圖3所示，每一加載等級循環(huán)三次。當承載力下降到峰值荷載的85%時，認為梁柱節(jié)點構(gòu)件破壞。

2.3 各國抗剪強度規(guī)范

1)我國GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范(2016版)。

我國抗震規(guī)范附錄D.1.4中規(guī)定，7度抗震區(qū)框架節(jié)點核芯區(qū)的截面抗震受剪承載力公式如下：

(1)

2)ACI 318—14(2014)[5]。

在美國規(guī)范ACI 318—14中，框架邊節(jié)點的抗剪強度為：

(2)

(3)

3)NZS 3101:2006(2017)[6]。

在新西蘭混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范中，鋼筋混凝土框架邊節(jié)點的抗剪強度可用下式計算：

(4)

4)Eurocode 8(2004+A1:2013)[7]。

在歐洲規(guī)范Eurocode 8第1部分中規(guī)定，節(jié)點核芯區(qū)配置箍筋的框架邊節(jié)點的抗剪強度可以用下式計算：

(5)

其中,Ash為水平箍筋總截面面積；fctd為混凝土抗拉強度；υd為柱端設計軸力；hjw為梁截面頂部鋼筋與底部鋼筋之間的距離；hjc為柱截面外側(cè)鋼筋之間的距離。

5)我國香港混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范(HKSUC, 2013)[8]。

香港混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范中，梁柱節(jié)點抗剪強度按下式計算：

(6)

其中，Aj為節(jié)點內(nèi)剪切鋼筋有效面積；Cj為正交梁影響系數(shù)，對T型節(jié)點取值為1；Ac為柱截面面積。

6)Eurocode 2(2004+a1:2014(E))[9]。

歐洲規(guī)范Eurocode 2中并未對梁柱節(jié)點抗剪強度進行明確規(guī)定，可以將節(jié)點看作柱的一部分[10]，因此按照該規(guī)范6.2節(jié)中規(guī)定可知節(jié)點抗剪強度為：

(7)

2.4 試驗結(jié)果與規(guī)范計算結(jié)果比較

試驗測量得到的數(shù)據(jù)為梁端荷載，需要轉(zhuǎn)化為節(jié)點核芯區(qū)剪力，按下式計算：

(8)

其中，Tb，Vcol分別為梁內(nèi)鋼筋的拉應力和柱的剪力；P為梁端水平荷載；db，Lc分別為梁的有效截面高度和柱長。

抗剪承載力是反映梁柱節(jié)點抗震性能的重要指標，將試驗結(jié)果與規(guī)范計算結(jié)果進行比較，具體見表1。

表1 試驗抗剪強度與規(guī)范法計算的抗剪承載力比較表

由表1可知，上述四種抗震規(guī)范計算的抗剪強度均明顯大于實際抗剪承載力。對于兩種非抗震規(guī)范來說，雖然歐洲規(guī)范對該節(jié)點抗剪強度的評估明顯優(yōu)于香港規(guī)范的方法，但實際抗剪強度僅為歐洲規(guī)范的96%，仍然未達到規(guī)范法計算的抗剪承載力，這主要是由于偏心產(chǎn)生扭矩，改變了節(jié)點的受力狀態(tài)，導致抗震性能未達到規(guī)范設計要求。

3 結(jié)語

各國規(guī)范提供的方法進行了很多簡化，適用于比較規(guī)則的非偏心梁柱節(jié)點，對于目前現(xiàn)存的非抗震設計的偏心梁柱節(jié)點的抗剪承載力并不能進行有效評估，傳統(tǒng)設計理念固有的缺陷使建筑結(jié)構(gòu)對預期的地震風險具有較高的敏感性。香港等中度地震區(qū)大量現(xiàn)存的建筑可能需要進行加固或改修，對非抗震設計的偏心梁柱節(jié)點的抗剪承載力進行更好的認識是必不可少的。因此，有必要在現(xiàn)行規(guī)范的基礎上建立一種合理的方法，來考慮由于梁、柱軸線不重合引起的扭矩作用對梁柱節(jié)點抗剪承載力的影響，有效分析中低地震區(qū)偏心鋼筋混凝土梁柱節(jié)點的抗震性能。