剪切变形下的钢筋混凝土动态分析

剪切变形下的钢筋混凝土动态分析

发表时间：2019-09-21T23:21:28.470Z 来源：《基层建设》2019年第19期作者：高日升1,2

[导读] 摘要：现有建筑物的加固或者重建需要对他们的抗横向负荷能力进行一种评估，这种能力可能被他们关键区域的强度和粘结能力所限制。

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摘要：现有建筑物的加固或者重建需要对他们的抗横向负荷能力进行一种评估，这种能力可能被他们关键区域的强度和粘结能力所限制。从评估中可制定重建或者加固的方法。在现有的钢筋混凝土框架中，梁柱节点缺少充分的约束和抗剪钢筋可能是在地震中引起脆性破坏的原因。大部分的非线性动力分析程序忽视了加固细节，而是把混凝土框架中梁柱节点假定为无线刚性节点。为了正确的分析现有的结构，需要考虑非弹性剪切变形和钢筋粘结的滑移。这种情况下当承受动态荷载时所出现的反应同带有刚性节点的框架所出现的反应进行对比。结果显示，含有非弹性剪切变形节点的模型对于地震响应中滑移和损害中效果显著。事实上刚性节点的假定是不合适的。

关键词：剪切变形；钢筋混凝土；框架；分析；损坏

引言

在钢筋混凝土抗弯矩构架抗震分析，通常假定节点是刚接的。这种节点表明即使在杆件已经发生了严重的剪切变形，但是仍然保持直角。在新的抗震规范颁布之前，所建造的现有的非延性钢筋混凝土框架，可能节点的钢筋和细部构造有所不足，这就可能在其他抗弯杆达到屈服时节点处导致剪切变形和局部剪切破坏。在对这些结构的地震危险评估中，节点区域的扭曲可能对结构的层间位移和整体偏转有显著的影响。因此，研究在节点中的剪切变形和在梁柱界面中的钢筋粘结滑移中是非常重要的。

节点变形是由两种因素引起的：(a),由于剪切应力传递引起的节点核心区剪切变形。（b），由于粘结破坏引起通过节点核心区的钢筋发生了滑移。节点的剪切变形产生的节点侧面发生扭转。这些扭转量是节点核心区的变形角度与节点尺寸的的函数。当梁的钢筋在具有良好的粘结条件下，高的剪切力就转移到了需要充分用箍筋加固的节点上。由于钢筋粘结的破坏导致了梁柱截面的开裂。这些裂缝引起在节点中的梁框架杆端发生旋转。低粘结状态沿着梁中的钢筋或者不充分的锚固长度引起了及节点发生旋转作为一个刚体来适应钢筋的过度滑移。在这种情况下，节点的剪切力变小并且相对于层间位移的钢筋滑移作用伴随着节点变形引起的位移而减小。

研究的目的是为了表达一个简单而准确的节点宏观模型，模型在反复的循环荷载和钢筋粘结滑移下，明确的指明了剪切变形特性。

1、节点模型的描述

用两个串联转动的弹簧表示一个节点，一个代表节点的剪切变形，另一个代表钢筋的粘结滑移。两个弹簧的节点之间的相对转动代表模型的自由度。杆件传递的弯矩就是梁传到柱的传递弯矩值。杆件的变形代表的节点剪切变形（在连接的梁柱之间的角度改变）或额外由于粘结梁的纵向钢筋滑移引起的节点扭转。在这个杆件中，两端所受约束的杆件产生的水平位移是相同的。

2、框架的分析描述

用九层的非延性混凝土结构用来分析剪切变形的节点效应。这样的结构在许多建筑中可以找到。这种建筑物在竖直方向是30m，跨度为6m（三跨到五跨）。层高为3.6m。柱子采用C40混凝土500x500mm，钢筋用HPB400M. 主梁按照1/10跨度计算，次梁按照15/1计算。在设计中考虑了水平荷载、风荷载和重力荷载，但是风荷载引起的柱子的偏心值小于规范限定的最小偏心值。钢筋的搭接长度以及。小的剪力要求最小的剪切钢筋。对于剪切变形钢筋采用10mm直径的间隔。楼面和屋面的厚度是150mm。

3、框架修复体系

希望恢复现有的建筑来满足当前的规范条例，那么升级所有的结构杆件是必要的。这种替代是不现实的，而且也是极其昂贵的。一个有缺陷的结构体系可以通过修复部分结构杆件来防止早期的非延性破坏模式。修复一个给定结构的特定杆件主要关注的是限定未加固杆件的破坏。两个框架是通过柱和节点的夹套来进行修复。夹套增加了强度并且提高了延性通过阻止节点剪力的脆性破坏。为了修复梁底部钢筋的不连续性，外部的角钢和背带用地脚螺栓来连接梁底部两侧的节点。这样的修复体系提供了约束和充分的节点剪切里。这种修复的节点使用带有相同剪切能力、剪切变形、根据实验数据得到的梁纵向钢筋的粘结阻力值的三线模型来进行建模。

4、计算模型

在动态分析中，使用了一个钢筋混凝土框架地震分析计算程序。程序是适用于计算二维钢筋混凝土框架结构的非线性静态和动态响应。该程序是一个模拟钢筋混凝土杆件刚度和强度的退化后的改造模型，允许分析的间断，使用切向刚度和位移控制分析的选项来计算模态振型和固有频率。该程序被修改用来计入发达节点的杆件模拟节点处的剪切变形和在梁柱接口处的钢筋粘结滑移。

在动态分析模型中，把板看做是平面内固定的隔板。建筑被理想化为一系列在楼层平面连接的平面框架。这种理想化的结果每层只有一个侧面水平自由度。在建模后框架的梁柱中，使用梁柱杆件的一维性。忽略了梁的剪切变形。用二线性和三线性的弹簧分别表示剪切节点和粘结的滑移。

框架承受的重力荷载包括横在和活载。重力荷载是运用在梁的在梁端分析中具体的固定端力来建模的。附加的楼板面积、墙台和分区的质量都假设集中在梁端节点处。之后输入地震进行动态分析。

5、模型观测

（1）破坏模式

在框架的中间楼层，由于产生节点的横向钢筋发生屈服，损害预计在节点处。如果有的话，或发生关节剪切破坏。连接元件的故障被归类为拉伸破坏或压缩破坏。当在混凝土中的压应力达到混凝土的最大强度会发生压缩破坏。由于裂缝的存在混凝土的抗压强度就会降低，它是比较合适的通过在混凝土中的最大应变以限定压缩破坏。

在框架的低楼层处，破坏发生在梁上由于钢筋的拔出或者/和铰接的弯曲。在低层楼板中，柱子的抗弯能力是梁的好几倍。另外，节点的尺寸和很高的轴向荷载增加了节点的剪切能力。在负弯矩处，梁的整个弯矩被修改。在正弯矩处，钢筋的拉出减少了在节点的力，否则的话就被实施正弯矩。然而，由实验观察可得，嵌入钢筋的拉拔可能影响关节混凝土的完整性，而这可能会降低联合剪切能力。

（2）基本周期随时间的变化

一些杆件刚度的降低会导致整个框架的刚度降低，并增加了它的基本周期。经分析，最终周期的确定是困难的，因为它随着与每个时间间隔变化而变化。