偏心鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力分析★

劉 瑩

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

1 概述

鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)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(shí)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(dāng)梁、柱中心線不重合時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)受載過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生扭矩作用降低節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力。在震后勘察中發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)剪切破壞導(dǎo)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(jì)損失[1-3]。

在工程實(shí)踐中，由于外觀等建筑細(xì)節(jié)的幾何約束，偏心梁柱節(jié)點(diǎn)并不少見(jiàn)。目前我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]僅通過(guò)規(guī)定核芯區(qū)的截面有效驗(yàn)算寬度考慮偏心節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，并未對(duì)偏心梁柱節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力進(jìn)行單獨(dú)說(shuō)明，尤其是對(duì)無(wú)合理抗震設(shè)計(jì)的偏心梁柱節(jié)點(diǎn)的研究較少。為了保證建筑結(jié)構(gòu)安全，避免梁柱節(jié)點(diǎn)的剪切破壞，需要對(duì)規(guī)范方法的適用性進(jìn)行評(píng)估。

雖然將我國(guó)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(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)。本文以香港某現(xiàn)存偏心梁柱節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)方法測(cè)試了其抗剪強(qiáng)度，并與各國(guó)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 工程實(shí)例計(jì)算與分析

2.1 偏心梁柱節(jié)點(diǎn)試件

偏心鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的尺寸和配筋信息如圖1所示，節(jié)點(diǎn)側(cè)面橫梁的長(zhǎng)度取到跨中，節(jié)點(diǎn)上、下兩側(cè)柱取反彎點(diǎn)為截?cái)帱c(diǎn)，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(hù)層厚度c=25 mm，鋼筋型號(hào)為HRB500，偏心距為75 mm(bc/4)，標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度為40.1 MPa。

2.2 試驗(yàn)加載方案

加載裝置如圖2所示，試驗(yàn)過(guò)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(fù)荷載，加載制度如圖3所示，每一加載等級(jí)循環(huán)三次。當(dāng)承載力下降到峰值荷載的85%時(shí)，認(rèn)為梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)件破壞。

2.3 各國(guó)抗剪強(qiáng)度規(guī)范

1)我國(guó)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016版)。

我國(guó)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(diǎn)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(guó)規(guī)范ACI 318—14中，框架邊節(jié)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)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(diǎn)的抗剪強(qiáng)度可用下式計(jì)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(diǎn)核芯區(qū)配置箍筋的框架邊節(jié)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度可以用下式計(jì)算：

(5)

其中,Ash為水平箍筋總截面面積；fctd為混凝土抗拉強(qiáng)度；υd為柱端設(shè)計(jì)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(guó)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(diǎn)抗剪強(qiáng)度按下式計(jì)算：

(6)

其中，Aj為節(jié)點(diǎn)內(nèi)剪切鋼筋有效面積；Cj為正交梁影響系數(shù)，對(duì)T型節(jié)點(diǎn)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(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度進(jìn)行明確規(guī)定，可以將節(jié)點(diǎn)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(diǎn)抗剪強(qiáng)度為：

(7)

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范計(jì)算結(jié)果比較

試驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)為梁端荷載，需要轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)剪力，按下式計(jì)算：

(8)

其中，Tb，Vcol分別為梁內(nèi)鋼筋的拉應(yīng)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(zhǎng)。

抗剪承載力是反映梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的重要指標(biāo)，將試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，具體見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度與規(guī)范法計(jì)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(jì)算的抗剪強(qiáng)度均明顯大于實(shí)際抗剪承載力。對(duì)于兩種非抗震規(guī)范來(lái)說(shuō)，雖然歐洲規(guī)范對(duì)該節(jié)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度的評(píng)估明顯優(yōu)于香港規(guī)范的方法，但實(shí)際抗剪強(qiáng)度僅為歐洲規(guī)范的96%，仍然未達(dá)到規(guī)范法計(jì)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(diǎn)的受力狀態(tài)，導(dǎo)致抗震性能未達(dá)到規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

各國(guó)規(guī)范提供的方法進(jìn)行了很多簡(jiǎn)化，適用于比較規(guī)則的非偏心梁柱節(jié)點(diǎn)，對(duì)于目前現(xiàn)存的非抗震設(shè)計(jì)的偏心梁柱節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力并不能進(jìn)行有效評(píng)估，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念固有的缺陷使建筑結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)期的地震風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)行加固或改修，對(duì)非抗震設(shè)計(jì)的偏心梁柱節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力進(jìn)行更好的認(rèn)識(shí)是必不可少的。因此，有必要在現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上建立一種合理的方法，來(lái)考慮由于梁、柱軸線不重合引起的扭矩作用對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的抗震性能。