框架結(jié)構(gòu)變梁異型節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)鋼筋應(yīng)力分析

侯晉禎

(山西中方森特建筑工程設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030002)

1 概述

在現(xiàn)實(shí)生活中，諸多框架結(jié)構(gòu)當(dāng)中有一類節(jié)點(diǎn)廣泛存在，即變梁異型節(jié)點(diǎn)，此類節(jié)點(diǎn)因連接柱兩側(cè)的梁截面高差較大，導(dǎo)致核芯區(qū)兩側(cè)受力差異較大。GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)指出，當(dāng)柱兩側(cè)梁有高差時(shí)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)受剪時(shí)，取兩側(cè)梁高的平均值進(jìn)行計(jì)算，但根據(jù)歷次強(qiáng)震后的實(shí)際調(diào)查結(jié)果表明，此類節(jié)點(diǎn)其受力特性明顯不同于常規(guī)節(jié)點(diǎn)，依據(jù)規(guī)范計(jì)算的結(jié)果有待進(jìn)一步研究，因此研究節(jié)點(diǎn)區(qū)在剪切變形下的抗剪承載力具有較大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

2 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500 mm×500 mm，一側(cè)框架梁截面為300 mm×700 mm，另一側(cè)框架梁截面:200 mm×400 mm(見圖1)，200 mm ×500 mm(見圖 2)，200 mm ×600 mm(見圖 3)，鋼筋大樣詳見圖4，各模型參數(shù)中梁配筋上下各420，箍筋采用10@100(2)，柱采用對(duì)稱配筋，梁柱交接處柱箍筋采用10@100(2)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。此次分析，采用ANSYS軟件的有限元功能進(jìn)行分析(計(jì)算模型中網(wǎng)格劃分尺寸取為100 mm)。

圖1 小梁高200 mm×400 mm

圖2 小梁高200 mm×500 mm

圖3 小梁高200 mm×600 mm

圖4 鋼筋大樣圖

3 計(jì)算模型單元建立

3.1 模型加載方案

梁端部在遭遇反復(fù)地震作用下，承受的作用力也較大(主要表現(xiàn)為剪力較大)。如圖5所示，位置1(柱上下端)為柱反彎點(diǎn)處位置，柱兩側(cè)梁長度取為地震作用下框架梁箍筋加密區(qū)長度。其加載示意如圖5所示。

圖5 異型節(jié)點(diǎn)正反對(duì)稱加載試驗(yàn)示意圖

在模擬試驗(yàn)加載過程中，給柱施加一個(gè)集中力，以此來模擬地震作用下柱軸壓力(此軸壓力為某一軸壓比下?lián)Q算后的軸壓力)，之后對(duì)梁兩端施加反對(duì)稱荷載，直至框架梁兩側(cè)上下層縱筋基本同時(shí)達(dá)到屈服。

3.2 模型加載邊界條件

在軟件中，為得到更準(zhǔn)確的分析結(jié)果，需將模型做如下處理:

1)將柱底部所有節(jié)點(diǎn)處施加約束，使其實(shí)現(xiàn)真正意義上的剛接。將柱頂部所有節(jié)點(diǎn)施加兩個(gè)水平方向的約束，使其只在豎向可以發(fā)生位移。

2)直接加載可能使受壓的混凝土出現(xiàn)局部壓應(yīng)力過于集中的現(xiàn)象，為避免此現(xiàn)象發(fā)生，需在模型各端部設(shè)置剛性墊塊，此墊塊尺寸與梁柱截面完全相同。

4 計(jì)算分析

4.1 核芯區(qū)劃分

節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)采用如圖6劃分，其中陰影部分為小核芯區(qū)，ABEF圍成的區(qū)域?yàn)榇蠛诵緟^(qū)。

4.2 大小梁截面高差對(duì)節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)鋼筋應(yīng)力的影響

從圖7～圖10分析過程可以得出，在反復(fù)地震作用下，此類節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)出現(xiàn)明顯的剪切破壞，核芯區(qū)內(nèi)鋼筋應(yīng)力分布較為復(fù)雜。

4.3 各模型下鋼筋應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

從圖7～圖10分析得出，隨著加載值的不斷加大，梁左側(cè)(大梁)上部受拉鋼筋與梁右側(cè)(小梁)上部受壓鋼筋應(yīng)力值逐漸加大，但均未達(dá)到鋼筋的屈服強(qiáng)度，其主要原因是柱采用對(duì)稱配筋的結(jié)果。而且還可以得出，節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)內(nèi)箍筋及縱筋的應(yīng)力分布極不均勻，靠近小核芯區(qū)的中部，箍筋的應(yīng)力值達(dá)到最大，而梁縱筋錨入柱內(nèi)的平直段應(yīng)力值并不大，說明節(jié)點(diǎn)加載至破壞時(shí)，未出現(xiàn)明顯的粘結(jié)滑移現(xiàn)象。梁內(nèi)靠近節(jié)點(diǎn)區(qū)附近的箍筋，應(yīng)力分布也不均勻，表明在靠近節(jié)點(diǎn)區(qū)的梁端，已出現(xiàn)梁端塑性鉸。

圖6 節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)劃分示意圖

圖7 反對(duì)稱荷載下小梁200×400的鋼筋應(yīng)力分布圖

圖8 反對(duì)稱荷載下小梁200×600的鋼筋應(yīng)力分布圖

圖9 正對(duì)稱荷載下小梁200×400的鋼筋應(yīng)力分布圖

圖10 正對(duì)稱荷載下小梁200×600的鋼筋應(yīng)力分布圖

5 結(jié)語

鋼筋混凝土變梁異型節(jié)點(diǎn)，當(dāng)梁端加載至節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)，節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)內(nèi)的鋼筋應(yīng)力分布極不均勻，節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)內(nèi)的柱縱向鋼筋以及箍筋應(yīng)力值均較大，表明節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)破壞后，豎向鋼筋與水平箍筋一樣，也起到一定作用，只是這種破壞模式已轉(zhuǎn)變?yōu)殍旒軝C(jī)理破壞，而且隨著梁高差的不斷增大，這種作用表現(xiàn)的也越為明顯。