基于抗震性能的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計分析

摘 要：為解決部分地震高發(fā)區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)的安全問題，保障人民群眾的人身安全以及財產(chǎn)安全，在分析建筑結(jié)構(gòu)的性能水平并將其量化的基礎(chǔ)上，對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的概述提出了抗震結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計原則，闡述了基于抗震性能的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計的主要內(nèi)容，希望能夠為同行業(yè)工作者提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：抗震性能；鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；節(jié)點設(shè)計

中圖分類號：TU375.4;TU352.1" " " " " " " " " " " " 文獻標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2023）08-0037-03

0 引言

地震是一種常見的自然災(zāi)害，對建筑結(jié)構(gòu)造成的損失極大。而鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是建筑領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一，其具有承受大震力的能力和較高的安全性能。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的節(jié)點設(shè)計對整個結(jié)構(gòu)的抗震性能起到至關(guān)重要的作用。因此，研究鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計，了解其受力特點，分析其抗震性能，對提高鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能水平具有重要的意義。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能評價指標(biāo)

抗震性能是評價鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的一個重要指標(biāo)，其指的是結(jié)構(gòu)在地震力作用下能夠承受破壞而不造成嚴(yán)重的傷亡和經(jīng)濟損失的耐震能力。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010），抗震性能可分為以下4個性能等級：一是等震性能。結(jié)構(gòu)在小震動作用下可以正常使用，但在大震動作用下可能產(chǎn)生輕微損傷。二是較好的抗震性能。結(jié)構(gòu)在小震動作用下可以正常使用，在大震動作用下可以承受一定程度的破壞。三是優(yōu)良的抗震性能。結(jié)構(gòu)在小震動作用下可以正常使用，在大震動作用下可以承受較為嚴(yán)重的破壞，但不至于崩塌。四是非常優(yōu)良的抗震性能。結(jié)構(gòu)在小震動作用下可以正常使用，在大震動作用下可以承受極其嚴(yán)重的破壞，但也不至于全面崩塌。不同等級的抗震性能對應(yīng)的地震分別不同，具體對應(yīng)的地震參數(shù)需根據(jù)不同的設(shè)計場地確定。

我國對于建筑物抗震設(shè)防層面的目標(biāo)，可概括為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。這個標(biāo)準(zhǔn)對于建筑結(jié)構(gòu)功能的要求相對單一，雖然能夠保證建筑物不會倒塌，但卻無法確保在強震條件下所產(chǎn)生損失。

基于此，自20世紀(jì)90年代以來，地震工程領(lǐng)域開始重點關(guān)注建筑結(jié)構(gòu)綜合位移的結(jié)構(gòu)設(shè)計，經(jīng)由長時間的分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計積累，提出了相對完整的設(shè)計理論以及對應(yīng)的設(shè)計方法[1]。

2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計原理

2.1 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)簡述

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是一種廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、隧道等工程中的結(jié)構(gòu)形式。它由多根水平的梁和多根豎直的柱子組成，梁和柱子通過連接件連接在一起，形成一個框架，稱之為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。框架中的柱子負責(zé)承受垂直荷載，梁負責(zé)承受水平荷載，連接件則起到連接和傳遞荷載的作用。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有強度高、剛度大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的荷載情況和地震動力作用，廣泛應(yīng)用于建筑中。其中最為突出的特點在于其具有較為靈活的空間布置能力，并由于該結(jié)構(gòu)自重較輕，可節(jié)約較多的建筑材料，并可保證建筑物平面空間的調(diào)整靈活性，適用于內(nèi)部空間需求相對較大的建筑物結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。

在實際的建筑設(shè)計中，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的輪廓和跨度、柱子和梁的尺寸及數(shù)量、連接件和支撐結(jié)構(gòu)的方式都需要根據(jù)實際需要進行合理設(shè)計，以達到安全、經(jīng)濟、美觀的效果。在設(shè)計過程中，為了獲得較為突出的抗震結(jié)果，通常將梁與柱澆筑建筑結(jié)構(gòu)需求的截面形狀。

但鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中也存在著較為突出的結(jié)構(gòu)缺陷。例如，框架節(jié)點的應(yīng)力較為集中，但特性剛度相對較小，在強烈地震以及外部因素影響下，使該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水平位移，從而增大建筑結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)性破壞風(fēng)險，此種情況在地震高發(fā)區(qū)域中展現(xiàn)得尤為嚴(yán)重[2]。

2.2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計的分類和特點

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計可以分為剛性節(jié)點和鉸接節(jié)點兩種類型。對于剛性節(jié)點來說，它具有良好的剛度和穩(wěn)定性，能夠承受較大的外力作用。剛性節(jié)點的連接處需要加強大量鋼筋，以增加結(jié)構(gòu)的強度。剛性節(jié)點的設(shè)計難度較大，需要考慮力學(xué)及材料的復(fù)雜性，因此設(shè)計過程較為繁瑣。

對鉸接節(jié)點來說，它具有良好的適應(yīng)性，能夠有效地抵御剪切等作用，可以通過設(shè)置鉸接來降低結(jié)構(gòu)的剛度，減少結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和振動。鉸接節(jié)點的設(shè)計較為簡單，但是需要注意設(shè)計中的一些細節(jié)問題，如合理設(shè)置鉸點的位置和形式。剛性節(jié)點和鉸接節(jié)點具有不同的優(yōu)缺點，設(shè)計時需要根據(jù)實際情況進行選擇[3]。

2.3 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計的基本要求

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計的基本要求包括以下6點：一是承載力要求。節(jié)點設(shè)計應(yīng)能滿足結(jié)構(gòu)在各類荷載作用下的承載能力要求。二是穩(wěn)定性要求。節(jié)點設(shè)計應(yīng)能保證結(jié)構(gòu)在各類荷載作用下的穩(wěn)定性，防止發(fā)生失穩(wěn)。三是承載性能要求。節(jié)點設(shè)計應(yīng)能保證結(jié)構(gòu)在整體失穩(wěn)前，節(jié)點不發(fā)生局部穩(wěn)定失效。四是經(jīng)濟性要求。節(jié)點設(shè)計應(yīng)能在滿足安全、穩(wěn)定、承載性能等要求的前提下，盡量降低花費和材料量的使用。五是施工便捷性和可操作性要求。節(jié)點設(shè)計應(yīng)能簡化節(jié)點施工難度，確保施工時的安全和工期。六是耐久性要求。節(jié)點設(shè)計應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的使用壽命和耐久性，以確保結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性和安全性。只有滿足鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計的基本要求，才能保證節(jié)點設(shè)計的安全性和可靠性[4]。

2.4 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計的基本原則

在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要確保抗震性能達到預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，其中最為關(guān)鍵的是全面提升結(jié)構(gòu)的延性性能。延性性能越大，建筑結(jié)構(gòu)在地震影響下承受的塑性變形能力越強，進而有利于降低結(jié)構(gòu)倒塌的風(fēng)險，并且能夠在一定程度上抵抗由于地震所帶來的建筑結(jié)構(gòu)的破壞性。這就要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，從配件構(gòu)造和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個角度出發(fā)，確保能夠展現(xiàn)充足的延性。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計要把握好以下6個基本原則：一是堅固性節(jié)點的設(shè)計應(yīng)該能夠承受地震力的作用，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。二是節(jié)點的設(shè)計應(yīng)該具有一定的韌性，能夠在地震力的作用下發(fā)生一定程度的變形，從而減輕地震力的影響。三是節(jié)點的設(shè)計應(yīng)該考慮到結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生部分損壞時的修復(fù)方法和措施，使得結(jié)構(gòu)能夠盡快恢復(fù)正常。四是材料適應(yīng)性。節(jié)點的設(shè)計應(yīng)該考慮到材料的特性和使用要求，應(yīng)選用適合的材料，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性能。五是實用性。節(jié)點的設(shè)計應(yīng)該考慮到操作的方便性、工藝的可行性和實際施工的條件，以便實現(xiàn)良好的抗震性能。六是經(jīng)濟性要求。節(jié)點的設(shè)計應(yīng)該考慮到經(jīng)濟性的問題，以達到優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的[5]。

3 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計內(nèi)容

3.1 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計的基本流程

基于抗震性能的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計，要把握以下基本流程：①確定結(jié)構(gòu)的地震分區(qū)和設(shè)計基準(zhǔn)地震波參數(shù)，對節(jié)點所處的位置和節(jié)點周圍的結(jié)構(gòu)進行分析，確定節(jié)點的受力狀態(tài)，如是否處于彎曲區(qū)、剪切區(qū)或受拉區(qū)等。②根據(jù)節(jié)點的受力狀態(tài)和設(shè)計基準(zhǔn)地震波參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，進行結(jié)構(gòu)抗震性能計算。③根據(jù)計算結(jié)果，確定節(jié)點所需的尺寸、鋼筋布置和承載能力等設(shè)計參數(shù)。④設(shè)計節(jié)點的幾何形狀，包括節(jié)點板厚、彎曲區(qū)鋼筋的直徑和布置形式、節(jié)點支撐和連接方式等。⑤對節(jié)點進行細化設(shè)計，考慮生產(chǎn)、施工和驗收的技術(shù)要求，確定合理的材料規(guī)格和施工方法。⑥通過模擬或?qū)嶒烌炞C節(jié)點設(shè)計的合理性和性能，如彎曲承載能力、剛度、韌性等。⑦根據(jù)實際施工情況，進行節(jié)點設(shè)計的調(diào)整和完善。

3.2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計的參數(shù)選擇和計算方法

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計一般需要考慮節(jié)點的抗震性能，參數(shù)選擇和計算方法應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求和實際情況進行具體選擇。

一是參數(shù)選擇。節(jié)點設(shè)計的參數(shù)包括材料參數(shù)和幾何參數(shù)兩個方面。材料參數(shù)包括混凝土強度等級、鋼筋抗拉強度等級、鋼筋屈服強度等級、連接件強度等級等。幾何參數(shù)包括節(jié)點截面尺寸、鋼筋配筋率、連接件尺寸等。

二是計算方法。節(jié)點設(shè)計的計算方法一般采用有限元方法或試驗方法。有限元方法是通過建立節(jié)點有限元模型，利用有限元軟件進行分析計算，得到節(jié)點的應(yīng)力、應(yīng)變分布和承載力等參數(shù)。

試驗方法是通過建立試驗?zāi)Ｐ停M行試驗加載和觀測，得到節(jié)點的受力性能。試驗方法可以對有限元分析計算結(jié)果進行驗證和修正。綜合考慮材料參數(shù)和幾何參數(shù)，結(jié)合有限元分析計算和試驗數(shù)據(jù)，可以得出節(jié)點設(shè)計的參數(shù)選擇和優(yōu)化方案。

4 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計的實例分析

在大型地震發(fā)生條件下，梁柱節(jié)點是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中最容易被預(yù)先破壞的核心部位[6]。

基于國內(nèi)外地震資料研究，地震發(fā)生時對建筑結(jié)構(gòu)帶來的破壞主要體現(xiàn)在建筑物的柱子上。由于柱子端側(cè)的混凝土極容易在外在作用影響下被剝離或壓碎，直至鋼筋結(jié)構(gòu)全部被歪曲，該現(xiàn)象對于整體的框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果來說極為不利。若某層鋼筋混凝土框架柱端出現(xiàn)了損壞情況，則其他柱子的端口極容易在持續(xù)的作用影響下遭受破壞，影響建筑結(jié)構(gòu)的整體安全性與穩(wěn)定性[7]。若發(fā)生的破壞僅僅出現(xiàn)在梁的端口，只有在絕大部分梁被完全破壞后才會導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)的倒塌。

在鋼筋混凝土框架柱子的設(shè)計過程中，需要主動增大柱端的彎矩設(shè)計值，從而降低柱子的屈服概率，保證建筑物結(jié)構(gòu)能夠滿足抗震性能的基本要求，在地震期間能夠發(fā)揮作用。

在強柱弱梁的鋼筋混凝土框架中，強柱是指框架柱子的抗剪能力和抗彎能力，要超出梁的抗剪能力和抗壓能力。如果柱子因為較強的減壓負荷受力而產(chǎn)生了破壞，就會導(dǎo)致脆性破壞問題。而地震作用力極容易導(dǎo)致產(chǎn)生脆性破壞現(xiàn)象[8]。

若采取強柱弱梁框架結(jié)構(gòu)，則其梁將會成為首先產(chǎn)生裂縫的位置，所形成的塑性鉸能夠起到將破壞的時間延遲，給予人們更多的逃生與躲避的機會。

為實現(xiàn)強柱弱梁的節(jié)點設(shè)計目標(biāo)，需要在節(jié)點設(shè)計期間設(shè)置較多的加密箍筋，配合使用135°彎鉤，對柱子的受拉鋼筋的配筋率展開合理管控，對梁的錨固筋予以整體強化，進而提高柱子強度的整體作用。在罕見地震出現(xiàn)時，該框架結(jié)構(gòu)的梁端口同樣能夠形成塑形鉸，確保柱子的端口始終能夠處于彈性狀態(tài)，不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)屈服的現(xiàn)象，促使整體的節(jié)點能夠處在彈性狀態(tài)，從而保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

強柱弱梁展現(xiàn)出的強弱水平，與梁端截面的抗彎能力和柱端截面的抗彎能力密切相關(guān)，其增幅大小緊密關(guān)聯(lián)最終的結(jié)構(gòu)強度。在大型地震后，柱子端口截面的塑性轉(zhuǎn)動并不會導(dǎo)致超出塑性轉(zhuǎn)動能力的關(guān)鍵因素。強度弱梁是判斷是否能夠最終形成層側(cè)移結(jié)構(gòu)的重要基礎(chǔ)，也是避免柱子結(jié)構(gòu)不會由于外力作用而將其得其壓碎的關(guān)鍵手段。柱子的強度高于梁的幅度的最終大小，與梁端的塑性鉸形成過程中動力特征以及塑性內(nèi)力的分布變化情況密切相關(guān)[9]。

在建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計和資源配置過程中，要盡量做大柱子的截面尺寸，柱子的線高度和梁的線剛度比值要始終大于1，要確保柱子軸壓的控制嚴(yán)格性，從而匹配與抗震性能相適應(yīng)的建筑建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，使其延性性能能夠獲得進一步強化。對截面承載力進行驗算過程中，要對柱子的設(shè)計彎矩予以人為調(diào)整，嚴(yán)格遵循強柱弱梁的原則，將柱子設(shè)計彎矩予以放大，從而起到強化柱子配筋結(jié)構(gòu)的作用。

5 結(jié)束語

地震高發(fā)區(qū)域更需要提高對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性與穩(wěn)定性的重視，將抗震性能作為鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則。本文基于抗震性能的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點的設(shè)計分析，通過分析節(jié)點受力特點，提出了一種新的節(jié)點設(shè)計方法，并在此基礎(chǔ)上進行了數(shù)值模擬和試驗驗證。新設(shè)計的節(jié)點有效提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能和安全性，并在數(shù)值模擬和試驗中得到了驗證。

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