钢筋混凝土框架梁-剪力墙平面外节点链接处理分析

钢筋混凝土框架梁-剪力墙平面外节点处理研究
1.工程现状
随着建筑技术的发展，剪力墙结构大量应用在高层住宅中。

建筑设计的多元化，使得通窗、转角窗随处可见，因此造成建筑转角的位置不能设置剪力墙，从而不可避免地出现梁与剪力墙垂直相交而又无法设置翼缘的情况，形成了建筑转角处框架梁与剪力墙平面外相交的薄弱连接节点，梁筋在墙内的锚固长度亦难以达到规范的要求。

如何处理此类节点成为目前结构设计的技术难点。

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010 第7.1.7条对抵抗剪力墙的平面外弯矩采取了4个措施，但都存在一定的局限性：
1）沿梁轴线方向设置剪力墙来抵抗平面外弯矩：这种措施往往受到建筑立面开窗、室内空间布置的限制而不能采用。

2）设置扶壁柱：这种措施会导致室内凸出柱角，影响室内空间的使用，同时当扶壁柱截面较小时，配筋将较大。

3）设置暗柱：因为暗柱截面较小，往往会导致较大的柱配筋。

由于暗柱是压弯构件，在0.5~0.7的轴压比范围，压力越大对暗柱的配筋越有利，因此在高层结构中，会出现轴力较大的下部楼层的暗柱配筋满足要求，而轴力较小的上部楼层的暗柱配筋不满足要求的情况。

同时暗柱的截面高度（即剪力墙宽）要满足梁纵筋水平段锚固长度的要求。

4）设置型钢：这种措施将导致含钢量的大幅增加，而且钢结构工种的加入导致施工复杂。

为此，有必要采取减小梁端弯矩的措施，目前常用的措施有：
1）将梁—墙相交处截面减小，做成变截面梁
2）梁—墙节点设计为铰接或半刚接，或通过调幅减小梁端弯矩
2.研究目的
当剪力墙与混凝土梁垂直相交时，若框架梁发生弯曲变形，剪力墙就会发生平面外变形。

当将梁—墙节点设计为铰接时，框架梁传递到剪力墙弯矩为零，进而减小梁对墙的平面外弯曲影响，不需要考虑在节点处另外增加暗柱或型钢。

但在这种情况下，当框架梁发生弯曲变形容易在节点处出现裂缝。

本文主要研究目的是梁—墙节点设计为铰接时，在正常使用状态下是否会出现裂缝。

3.理论分析
陈溪煊、贺平、冯志刚的文章分别对多组计算模型进行有限元试验计算，得出框架梁-剪力墙平面外连接设计建议：
1）在剪力墙与框架梁相交处设置暗柱，按计算确定配筋：（1）在暗柱内设置充足的纵筋，抵抗剪力墙所受平面玩弯矩；（2）在梁墙节点核心区及其临界的剪力墙端部加密箍筋，分别用于抵抗梁墙节点核芯区所受的剪力和剪力墙所受的(沿剪力墙自身平面法线方向)平面外剪力。

若用表示暗柱的柱宽，在范围内计算剪力墙的平面外抗弯承载力和梁墙节点核芯区的抗剪承载力：对其行折减，用折减后的长度计算剪力墙的平面外抗剪承载力。

2）设置明梁。

在剪力墙与框架梁相交处沿墙宽方向设置明梁，按构造确定其配筋(纵筋和箍筋)。

明梁的截面尺寸应满足下列要求：（1）明梁宽度应大于剪力墙厚度，从而解决梁墙节点处框架梁纵筋的锚固问题；（2）明梁的梁高宜大于框架梁的梁高，这样有利于梁墙节点处钢筋的布置。

根据陈溪煊等人的研究显示，当需框架梁—剪力墙节点提供有效刚度时，应在剪力墙设置暗柱或明梁是有效抵抗混凝土梁传递的平面外弯矩的有效方法。

但若不需要框架梁—剪力墙节点提供有效刚度时设置铰接能否满足结构需要，是否会出现裂缝？我们需进行以下非线性有限元分析，和收集现实工程实例来一一进行验证。

4.非线性有限元分析
混凝土本身同时具有开裂、压碎、塑性等诸多复杂力学行为，钢筋在弹性阶段也表现出非线性特征，混凝土与钢筋的粘结滑移也会导致非线性。

在混凝土开裂后，结构进入弹塑性工作阶段后的力学性能比较复杂，在三维条件下这些力学行为更加难以确定，当前对构件破坏过程中内力变形、破坏形态及承载能力、刚度和抗裂性等结构性能的计算机仿真分析，主要是利用大型非线性有限元弹塑性分析方法。

钢筋混凝土有限元模型中混凝土与钢筋的组合方式一般有三种整体式、组合式和分离式。

1）整体式。

整体式有限元模型是将钢筋弥散于整个单元中,将加筋混凝土视为连续均匀材料, 求出的是一个统一的刚度矩阵。

该方法优点是建模方便, 分析
效率高。

缺点是不适用于钢筋分布较不均匀的区域，且不易得到钢筋内力。

主要用于钢筋混凝土板、剪力墙等有大量钢筋且钢筋分布较均匀的构件。

2）组合式。

组合式有限元模型是将纵筋密集的区域设置为不同的体, 使用带筋的SOLID 65单元，而无纵筋区则设置为无筋SOLID 65单元。

这样就可以将钢筋区域缩小,，接近真实的工程情况。

这种模型假定钢筋和混凝土两者之间的相互粘接良好，没有相对滑移。

在单元分析时，可分别求得混凝土和钢筋对刚度矩阵的贡献，组成一个复合的、单元刚度矩阵。

3）分离式。

分离式有限元模型采用SOLID 65来模拟混凝土，LINK 8空间杆单元来模拟纵筋, 这样的建模能够模拟混凝土的开裂、压坏现象及求得钢筋的应力, 还可以对杆施加预应力来模拟预应力混凝土。

为了使结构分析数据尽可能准确，模型的尺寸、形状和材料都尽可能与试验情况一致，但考虑到实际情况的复杂性，在进行非线性分析时，作如下两点简化：首先，假定钢筋和混凝土之间粘结可靠，没有发生相对滑移。

因此各个单元间位移协调，共用节点。

采用分离式模型进行计算分析。

其次，钢筋建模时忽略梁中箍筋的作用，建立了梁主筋和墙内竖向钢筋、横向分布钢筋以及暗柱纵筋和箍筋的模型。

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5.工程实例分析
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6.结论
1、梁与剪力墙垂直相交的节点可以按照铰接处理。

这一处理方法在包括抗震设计的承载力受力分析中是安全的；只要梁支座负筋满足构造要求，采用现浇砼结构，正常使用状态下不会出现可见裂缝，这已经经过了大量剪力墙结构工程实践的检验。

2、若要将该节点设为刚接，则需要考虑设置暗柱、梁端负筋的足够锚固等构造措施。