钢筋混凝土抗震框架梁柱节点的延性设计准则_游渊

第18卷第4期重庆建筑大学学报Vol.18N o.4 1996年12月Journal of C hon gq in g Jianzhu Universit y Dec.1996钢筋混凝土抗震框架梁柱

节点的延性设计准则

游渊傅剑平白绍良汤华

(重庆建筑大学建筑工程学院630045)(广洲市设计院510000)

摘要在对梁端或柱端受拉钢筋屈服后发生剪切失效的节点的受力特征进行

正确分类的基础上,并对相对作用剪力和相对配箍率影响节点延性的规律进行认

真分析归纳之后,本文明确指出了抗震框架节点的设计准则应是在保证节点抗剪

承载力不低于先屈服的梁端或柱端屈服承载力前提下的延性控制准则。在给出该

设计准则的完整定义后,讨论了几个国家目前采用的设计控制体系在体现延性设

计准则方面的可用性,其中着重从节点传力机构以及受力特征分类角度讨论了美

国AC I-AS C E352委员会节点配箍控制方案中存在的概念性问题。

关键词钢筋混凝土,框架,梁柱节点,抗震设计,设计准则

中图法分类号T U375.1T U375.2

1引言

从八十年代初期到后期,新西兰、美国、中国和日本这四个地震多发国家根据各自当时对钢筋混凝土抗震框架节点受力特点的认识和本国的学术和工程传统,先后在各自的设计规范或建议中提出了抗震框架节点的设计方法。经过对比计算可以发现这四个国家对节点配箍量和贯穿节点梁柱筋的粘结条件以及作用剪力上限和配箍率构造下限的规定都不完全相同,有些还差别很大。就节点配箍率这个主要技术指标来看,这四个国家控制的宽严程度大体上可分为两档。其中要求较严的是新西兰NZS3101规范的1982年版本[1],它坚持了高标准的“延性框架”设计要求,按该规范设计出的组合体在试验中直到先屈服的梁端达到正截面破坏均不会发生节点剪切破坏。而美国AC I-ASC E352委员会1985年修订的《现浇框架梁柱节点设计建议》[2]、中国的《混凝土结构设计规范》G BJ10-89和日本建筑学会1988年公布的《基于极限承载力概念的钢筋混凝土建筑物抗震设计指南(草案)及说明》[3]在节点配箍率要求上虽然也有一定差别,但普遍比新西兰1982年规范的要求低一个档次,按新西兰学术界的说法,均属于“有限延性框架”水准[4]。为对这两种不同的延性水准作出正确评价,美、新、日三国权威学者在1984年美国M o nte re y会议上商定进行抗震节点对比试

收稿日期:1996-01-19

游渊.女,1957年生,讲师

国家教委博士点专项基金资助项目

第4期游渊等:钢筋混凝土抗震框架梁柱节点的延性设计准则13

验,即用形状尺寸相同、但按各国规定确定节点配箍的带现浇板和不带现浇板的中间层中节点和中间层端节点梁柱组合体,按相同的平面或二维加载方案及程序进行试验。随后,中国方面也参加了这一试验计划,从而形成了国际钢筋混凝土学术界有史以来规模最大的“四国联合试验”。八十年代末,通过对试验结果的对比,四国学术界取得了共识,即新西兰规范对抗震节点性能的要求过严,而美、中、日三国水准则掌握得较为适度。这一结论导致新西兰在其1994年NZS3101规范的修订稿中适当降低了对抗震框架节点的控制水准。

但是必须看到,这次“联合试验”虽然对抗震节点性能控制水准取得了某种共识,但因未就节点的传力机制、受力特点、受力性能分类以及设计准则的确切含义等诸多理论性问题进行共同研究,故“联合试验”之后,特别是作为主要争论双方的美国和新西兰,对自己在节点传力机制方面的传统看法并未作任何原则性修正。在这种情况下,本文作者结合我国《钢筋混凝土框架节点技术规程》的制定,在对八十年代各国研究成果及“四国联合试验”结果进行认真分析归纳后,明确意识到,必须全面确切地了解节点的传力机制及受力特征,并对受力特征进行正确分类以避免概念性的误判。在文献[5]、[6]中本文作者已详述了自己对不同情况下节点传力机制特点和节点受力特征分类两方面的认识。本文将在这两篇文献的基础上,根据“四国联合试验”取得的共识,明确提出抗震框架节点设计准则的含义,并讨论在设计规范中体现这一设计准则的具体设计控制体系。

2不同受力特征节点的受力性能变化规律

根据文献[6]在大量试验研究成果基础上总结出的规律,不同受力特征节点的受力性能变化具有以下主导规律:

对于出现在图1中EF线与纵坐标轴之间的斜拉型剪切失效节点,只要相对配箍率值超过C D线,即可实现在梁、柱端受拉钢筋屈服前不发生斜拉型剪切失效。在CD线和E F线之间,发生节点斜拉型剪切失效时组合体所能达到的延性随相对配箍率的增加而不断增大。当相对配箍率增大到EF线附近时,即可实现在先屈服的梁端或柱端达到正截面承载力极限状态(受压区混凝土压碎)时节点仍不发生斜拉型剪切失效的目标。

对于出现在图1中FG线以上的斜压型剪切破坏的节点,只要相对作用剪力小于AB 线,即可实现在梁端或柱端受拉钢筋屈服前节点不发生斜压型剪切破坏。在A B线和FG线之间,随着相对作用剪力的降低,发生节点斜压型剪切破坏时组合体所能达到的延性将不断增大。当相对作用剪力降低到FG线附近时,直到先屈服的梁端或柱端发生正截面破坏,节点也不会发生斜压型剪切破坏。

而在图1中F点左上方C D线以右、AB线以下的斜压—斜拉复合型剪切破坏区内,组合体在节点发生剪切破坏时所能达到的延性是随着相对配箍率的增大和(或)相对作用剪力的降低而增大的。当相对配箍率和相对作用剪力值到达F点附近时,组合体也将直至梁端或柱端正截面破坏都不会发生节点剪切破坏。

从以上规律中可以看出,在梁端或柱端受拉钢筋屈服前发生的节点斜压型剪切破坏具有典型的脆性性质,如果接头区的承载力由它控制,则框架将不具备任何延性,因此是抗震框架设计所无法接受的,必须着力防止。而在梁端或柱端受拉钢筋屈服前发生的节点斜拉型剪

切失效虽不具有突然断裂的性质,但因其强度随加载循环和组合体变形的增大退化很快,而且梁端或柱端不能屈服,从而也就无法实现屈服后的塑性耗能,因而也不适于抗震框架,必须予以防止。

在避免出现梁端或柱端屈服前的节点斜压型剪切破坏及斜拉型剪切失效之后,就可以实现梁端或柱端受拉钢筋的屈服。但为了使框架具有必要的

延性和耗能性,还应要求在梁端或柱端受拉钢筋屈服后的

往复交替受力过程中,组合体应在达到一定的变形之前不

发生节点斜压型剪切破坏或斜拉型剪切失效,即接头区不

因节点剪节破坏而丧失承载力。这一要求也可以表达为组

合体应达到一定的位移延性。当然,在“四国联合试验”完

成之后,世界各国学术界的一致认识是,这里的延性要求

并不需要使组合体性能指标进入图1中的E FG 线以右和

以下,而只需达到图1中由LM NP 线示意性表示的某种

水准,只要确认这一水准已能满足作为建立基本公式背景

的某个抗震设防烈度的要求(例如对我国即指设防烈度为

七度)。而对于更高的设防烈度,则可通过例如对作用剪力

乘以大于1.0的调节系数,使组合体达到更高的延性要

求。还需要注意的是,除去上面所述分别影响不同受力特征节点延性性质的两个主要综合变量,即相对作用剪力和相对配箍率之外,还有一个影响节点受力性能的因素,即梁、柱筋在节点中的粘结状况。正如文献[5]已指出的,这种粘结状况对节点将发生斜压型剪切破坏的组合体的延性影响较为明显,在其它条件相同时,粘结条件越差,所能达到的延性越小。但粘结状况对节点发生斜拉型剪切失效组合体的延性则无显著影响。因此,在节点的设计准则中,对于发生斜压型剪切破坏的节点,还应间接考虑贯穿节点的梁、柱筋的粘结状况,或者说,对贯穿节点梁、柱筋粘结状况的条件亦应视作节点设计准则的一个间接组成部分。

3抗震框架节点设计准则

根据以上分析,抗震框架节点设计准则可以表达为:

1)抗震框架节点不允许出现在梁端或柱端受拉钢筋屈服前的斜拉型剪切失效和斜压型剪切破坏,而且

2)在梁端或柱端受拉钢筋先行屈服的前提下,对可能发生斜拉型剪切失效的节点,其相对配箍率还应大到使接头区能达到所需要的延性而不发生节点剪切失效;对可能发生斜压型剪切破坏的节点,其相对作用剪力应小至使接头区能达到所需要的延性而不发生节点剪切破坏;对可能发生斜拉-斜压复合型剪切破坏的节点,其相对配箍率及相对作用剪力应分别大到和小到使接头区能达到所需要的延性而不发生节点剪切破坏。在节点剪切失效或剪切破坏之前,组合体还应避免出现超出常规的刚度退化和耗能性退化,而且

3)贯穿节点的梁、柱筋的粘结状况必须保持在适当程度,避免发生过度的粘结退化。

图1节点受力特征分区及延性设计准则

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