鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)地震響應(yīng)分析

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)地震響應(yīng)分析

現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面內(nèi)開角縫在鋼筋混凝土框架的結(jié)構(gòu)中，中國的抗疲勞動(dòng)規(guī)范采用了“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則?！皬?qiáng)柱弱梁”是預(yù)期在地震發(fā)生時(shí),裂縫首先在梁上發(fā)展,梁端塑性鉸先于柱端塑性鉸形成。在全部梁端出現(xiàn)塑性鉸并且底層柱端也出現(xiàn)屈服變形時(shí),結(jié)構(gòu)才會(huì)破壞;而“強(qiáng)梁弱柱”型框架結(jié)構(gòu)首先在底層柱上下端出現(xiàn)塑性鉸,并迅速導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌。因此,“強(qiáng)柱弱梁”型結(jié)構(gòu)至少存在兩道抗震防線。在這兩道防線之間,大量地震輸入能量被結(jié)構(gòu)的彈塑性變形所消耗。然而,實(shí)際震害與國內(nèi)外眾多試驗(yàn)結(jié)果均表明:在現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中,多數(shù)塑性鉸仍首先出現(xiàn)在柱端。例如在汶川地震中,一些框架結(jié)構(gòu)發(fā)生了整體倒塌。在破壞的框架結(jié)構(gòu)中,較多情況是底層柱出現(xiàn)上下端的彎曲破壞,地震造成框架柱傾斜,柱頂鋼筋屈服,箍筋張開,混凝土壓酥,整層形成薄弱層,上部結(jié)構(gòu)整體偏移。框架柱的破壞明顯嚴(yán)重于梁,梁并未遭受嚴(yán)重?fù)p傷,結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為“強(qiáng)梁弱柱”。如圖1所示?，F(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)并沒有實(shí)現(xiàn)真正的“強(qiáng)柱弱梁”。導(dǎo)致梁“超強(qiáng)”的因素很多,其中的主要原因是我國現(xiàn)行規(guī)范未考慮框架梁附近的樓板鋼筋對(duì)梁承載力的影響。一些研究分析結(jié)果表明,與水平外加荷載方向平行的板面和板底鋼筋也參與了縱向框架梁的抗彎作用,且隨著側(cè)移的增加,梁兩側(cè)樓板鋼筋的應(yīng)力值也越大,參與作用的板內(nèi)鋼筋越多。美國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范ACI318-08已要求對(duì)現(xiàn)澆樓板考慮有效受拉翼緣范圍內(nèi)板內(nèi)鋼筋的作用,并給出了有效受拉翼緣寬度be的確定方法。我國規(guī)范并沒有考慮這部分樓板鋼筋的作用,從而使梁的抗彎能力得到增強(qiáng),因此實(shí)際結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為“強(qiáng)梁弱柱”,而非規(guī)范要求的“強(qiáng)柱弱梁”。本文提出將鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)周圍的現(xiàn)澆樓板開角縫,將框架梁兩側(cè)部分樓板受力筋切斷,以消除樓板中鋼筋對(duì)梁抗彎承載力的影響。而且除梁端以外,未開角縫的框架梁的其余部分仍與現(xiàn)澆樓板連接,這樣僅使得梁端的抗彎承載力及剛度削弱,達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁”的效果。用有限元軟件ADINA建立數(shù)值分析模型,施加水平方向的靜載及地震荷載,并將開角縫和未開角縫計(jì)算結(jié)果對(duì)比,評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的效果。1邊柱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)了一幢規(guī)則的6層2×3跨框架結(jié)構(gòu)。設(shè)防烈度為8度,Ⅱ類場地,框架抗震等級(jí)二級(jí)。按1:2比尺建立分析模型。模型層高為1950mm,梁跨長3600mm,樓板厚100mm,外側(cè)邊柱截面為220mm×220mm,中柱截面為300mm×300mm。結(jié)構(gòu)全部用C30混凝土,框架梁、柱縱筋均使用HRB335鋼筋,樓板及箍筋用HPB235鋼筋。用PKPM08軟件的SATWE進(jìn)行配筋計(jì)算,“中梁剛度放大系數(shù)”取為2.0,“邊梁剛度放大系數(shù)”取1.5。計(jì)算得出配筋情況如下:框架梁底部配置縱筋2Φ25,頂部配置縱筋2Φ20,梁箍筋φ10@85/170,加密區(qū)長度為700mm;柱內(nèi)配縱筋8Φ25,箍筋φ10@100/150,中柱箍筋加密區(qū)長度為500mm,邊柱箍筋沿全高加密。為了減小模型的計(jì)算量,取兩側(cè)各附帶半跨樓板的一榀內(nèi)框架,只在本榀框架平面內(nèi)施加單向(即圖2中的x向)水平外加荷載,并且不考慮填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。利用ADINA軟件建立分析模型。該軟件有專門的混凝土材料,可以模擬混凝土的開裂、壓潰和軟化等。C30混凝土泊松比為0.2,初始彈性模量為3.0×104MPa,最大單軸壓應(yīng)力取20.1MPa,單軸極限壓應(yīng)力為16.08MPa。鋼筋用雙線性塑型材料BilinearPlastic模擬,采用Truss桿單元,能自動(dòng)考慮與混凝土的黏結(jié),無需再對(duì)鋼筋進(jìn)行網(wǎng)格劃分,簡化了前處理工作。HRB335鋼筋,彈性模量取2.0×105MPa,泊松比為0.3。本文建立樓板未開角縫及開角縫框架結(jié)構(gòu)2個(gè)模型,進(jìn)行時(shí)程分析。根據(jù)梁和柱受拉鋼筋屈服的先后和對(duì)應(yīng)位置的混凝土開裂、壓潰情況,判定構(gòu)件塑性鉸形成的順序及發(fā)展過程,觀察其變化和趨勢,評(píng)價(jià)對(duì)梁和柱的作用效果。樓板未開角縫框架結(jié)構(gòu)模型如圖2(a)所示。只對(duì)模型施加x方向水平荷載,模擬單向地震作用。樓板開角縫形式如圖2(b)所示,角縫開在梁柱節(jié)點(diǎn)周圍的樓板角部,角縫的邊長初步定為200mm,實(shí)際相當(dāng)于截?cái)鄻前鍍?nèi)板頂、板底各一根受力鋼筋。2結(jié)構(gòu)的破壞實(shí)踐在模型的頂層樓板施加沿x軸正向的側(cè)向位移,模擬單向水平地震作用。分步加載,加載步長為0.01m,直到混凝土壓潰為止。在施加側(cè)移之前,對(duì)結(jié)構(gòu)預(yù)先施加重力荷載。汶川地震中,框架結(jié)構(gòu)的破壞普遍發(fā)生在首層的節(jié)點(diǎn)處。除去個(gè)別設(shè)計(jì)問題及施工質(zhì)量等偶然因素以外,很少有三層以上的結(jié)構(gòu)首先破壞,這里重點(diǎn)討論首層中柱柱頂節(jié)點(diǎn)。為了考察樓板開角縫對(duì)梁和柱的影響,取節(jié)點(diǎn)上下柱端截面和左右梁端截面內(nèi)的部分縱筋進(jìn)行分析。2.1節(jié)點(diǎn)鋼絞線的應(yīng)力圖3顯示梁柱節(jié)點(diǎn)處各截面縱筋應(yīng)力變化趨勢,橫坐標(biāo)δ/H為結(jié)構(gòu)側(cè)移對(duì)應(yīng)的層間位移角,縱坐標(biāo)σ顯示梁和柱內(nèi)鋼筋應(yīng)力值。從圖中可以看出,各鋼筋應(yīng)力均隨著側(cè)移值的逐漸增加而不斷增大,直至屈服。圖3(a)中,節(jié)點(diǎn)上柱柱底截面的縱筋應(yīng)力較大,該截面的“上柱筋①”的應(yīng)力與節(jié)點(diǎn)右側(cè)梁端“右梁筋①/右梁筋②”的曲線的走向、應(yīng)力數(shù)值等都大體相同,幾乎同時(shí)受拉屈服;位于柱底一側(cè)居中的“上柱筋②”應(yīng)力增長稍慢。節(jié)點(diǎn)下柱柱頂部截面“下柱筋①/下柱筋②”的應(yīng)力尚處于較低水平,所以節(jié)點(diǎn)上方的柱底截面是此節(jié)點(diǎn)的危險(xiǎn)截面。頂層施加的水平側(cè)移增加,δ/H=0.011時(shí),圖中右梁梁端截面的兩根受拉縱筋全部屈服,其中“右梁筋①”的鋼筋單元element442拉應(yīng)力達(dá)到335.097MPa,超過應(yīng)力極限,且梁端混凝土已出現(xiàn)大量密集裂縫,故可判定梁端已形成塑性鉸。由上一段分析可知,節(jié)點(diǎn)上側(cè)柱端處受拉縱筋和右側(cè)梁端受拉縱筋的應(yīng)力變化和屈服時(shí)刻基本相同?？紤]到各種建筑材料尤其是混凝土的離散性,認(rèn)為在梁和柱端部產(chǎn)生塑性鉸的時(shí)間接近,由此判斷按規(guī)范要求設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)沒有達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁”的效果。2.2節(jié)點(diǎn)的混凝土角縫開200mm角縫后的應(yīng)力變化情況如圖4所示。在相同的各側(cè)移值下,右側(cè)梁端縱筋應(yīng)力較開角縫之前明顯增大,截面縱筋發(fā)生受拉屈服對(duì)應(yīng)的側(cè)移δ/H,從0.011提前到0.009。同樣在δ/H=0.009時(shí),“右梁筋①”和“右梁筋②”中的最大應(yīng)力比在普通節(jié)點(diǎn)中均提高了16%左右。前文統(tǒng)計(jì),在δ/H=0.011側(cè)移作用下,不開角縫的普通框架模型節(jié)點(diǎn)中的“右梁筋①”,只有鋼筋單元element442屈服;開200mm角縫后,在相同側(cè)向位移下此縱筋已有element483,484,485,490這4個(gè)鋼筋單元發(fā)生屈服。表明梁的塑性鉸形成后與之臨近的區(qū)域也相繼進(jìn)入“屈服”,這個(gè)現(xiàn)象符合塑性鉸的發(fā)展特征,增加了計(jì)算結(jié)果的可信性。當(dāng)側(cè)移增加到最終的δ/H=0.012時(shí),部分混凝土已經(jīng)壓潰,但框架柱內(nèi)的“上柱筋①/②”、“下柱筋①/②”都沒有屈服。δ/H=0.011時(shí),“上柱筋①”的最大應(yīng)力從以前的335.166MPa減小到247.362MPa,減小約26%。當(dāng)δ/H=0.012時(shí),縱筋的最大應(yīng)力只有260.606MPa。節(jié)點(diǎn)下柱柱端截面的“下柱筋①/②”的最大應(yīng)力分別減小約13%和4%。這些現(xiàn)象表明,開角縫能部分消除樓板鋼筋對(duì)梁抗彎承載力的增強(qiáng)作用,原來由樓板承擔(dān)的部分彎矩,作用到了矩形截面梁上,使梁端提前屈服,推遲了柱端出現(xiàn)塑性鉸,明顯增加了梁、柱塑性鉸出現(xiàn)的時(shí)間間隔,因此增強(qiáng)了多道抗震設(shè)防的效果,有效地改變框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處梁柱破壞機(jī)制,使結(jié)構(gòu)更加接近“強(qiáng)柱弱梁”。2.3大跨墻節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)制由于框架結(jié)構(gòu)的底層的剪力最大,且模型中柱底采用完全的固定端連接,故柱底更易發(fā)生塑性變形,柱腳處的破壞是不可避免的。這也符合“強(qiáng)柱弱梁”破壞機(jī)制的預(yù)期,因此只能盡量推遲其破壞的發(fā)生。計(jì)算結(jié)果表明:對(duì)于普通模型,當(dāng)樓頂相對(duì)側(cè)移δ/H=0.008時(shí),首層柱底鋼筋開始屈服;當(dāng)開設(shè)邊長200mm角縫以后,樓頂相對(duì)位移達(dá)到δ/H=0.010時(shí),首層柱底鋼筋才開始屈服;因此首層柱底塑性鉸的發(fā)生略有推遲,結(jié)構(gòu)的延性性能得以增強(qiáng)。3我國8度設(shè)備條件下的地震動(dòng)為模擬實(shí)際地震效果,地震動(dòng)選用ElCentro波,該地震動(dòng)的記錄持續(xù)40s,時(shí)間步長0.01s,峰值出現(xiàn)在第2.17s。將地震動(dòng)按照峰值加速度與抗震規(guī)范規(guī)定的罕遇地震地面最大加速度一致的原則折算成我國8度設(shè)防區(qū)大震水準(zhǔn),并預(yù)先在結(jié)構(gòu)上施加重力荷載。為了考察更加接近實(shí)際情況的地震動(dòng)作用下的實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的效果,仍然分別對(duì)普通節(jié)點(diǎn)框架模型及樓板開角縫的模型作數(shù)值模擬分析,對(duì)比開縫前后梁柱端截面的破壞情況,評(píng)價(jià)“強(qiáng)柱弱梁”的效果。3.1柱端塑性破壞軟件運(yùn)行220步時(shí)停止運(yùn)算,此時(shí)地震持續(xù)2.20s,地震動(dòng)波峰出現(xiàn)在2.17s。圖5為模型在2.20s時(shí)刻的縱筋應(yīng)力分布圖,其中構(gòu)件上突起的部分顯示縱筋發(fā)生受拉屈服也即結(jié)構(gòu)破壞時(shí)塑性鉸出現(xiàn)的位置。縱筋應(yīng)力隨著地震動(dòng)加速度數(shù)值的波動(dòng)及地震動(dòng)峰值的到來而持續(xù)往復(fù)振動(dòng)并逐漸增大。如圖5(a)中所示,當(dāng)?shù)卣鹱饔贸掷m(xù)到2.19s時(shí),中柱首層柱頂處,鋼筋應(yīng)力急劇增大;當(dāng)?shù)卣鸪掷m(xù)到2.20s時(shí),運(yùn)算結(jié)果顯示此時(shí)刻每根受拉鋼筋均有1～2個(gè)鋼筋單元超過受拉極限,單元中應(yīng)力數(shù)值最大達(dá)到339.1MPa。鑒于此認(rèn)為柱頂端已經(jīng)形成了塑性鉸。首層柱頂首先屈服破壞與汶川地震中普遍發(fā)生的柱鉸破壞情況相同。圖5(b)所示,同樣在2.20s時(shí),同一梁柱節(jié)點(diǎn),即首層柱頂中節(jié)點(diǎn)的左側(cè)梁端處,鋼筋應(yīng)力超過受拉應(yīng)力極限,拉應(yīng)力最大值在335.5MPa左右,鋼筋屈服,在節(jié)點(diǎn)左梁端部也形成塑性鉸。由上述結(jié)果可知,在地震作用下的普通框架結(jié)構(gòu),框架梁、柱端塑性破壞時(shí)刻仍基本相同,模型同樣沒有實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的預(yù)計(jì)效果。普通模型在地震動(dòng)作用下的破壞形式與前述靜載作用下情況相似。3.2柱腳處形成塑性鉸對(duì)開角縫的模型,軟件運(yùn)行237步,此時(shí)地震持續(xù)2.37s,地震動(dòng)波峰出現(xiàn)在2.17s。開角縫后,較普通框架結(jié)構(gòu)延遲0.17s發(fā)生破壞。結(jié)構(gòu)破壞時(shí),塑性鉸分布如圖6所示。在2.20s時(shí),普通模型的首層柱頂縱筋已屈服;而開200mm角縫后,此時(shí)鋼筋應(yīng)力只維持在約45MPa波動(dòng)。當(dāng)?shù)卣鹱饔贸掷m(xù)到2.37s時(shí),邊柱柱腳處,柱內(nèi)縱筋應(yīng)力急劇增大,達(dá)到335.7MPa左右,形成塑性鉸,見圖6(a)。結(jié)構(gòu)成為機(jī)動(dòng)體系,最終破壞。如圖6(b)所示,梁的應(yīng)力分布也有較大變化,每根框架梁梁端處的縱筋應(yīng)力水平都高于該梁的跨中部分,且相應(yīng)的都大于開縫前的鋼筋應(yīng)力值。開角縫可以將塑性鉸出現(xiàn)的位置限制在梁端處。按照“強(qiáng)柱弱梁”機(jī)制預(yù)期的破壞,且由前文首層柱腳抗震性能的計(jì)算結(jié)果可知,首層柱底的破壞是不可避免的,故而模型框架柱柱腳處形成塑性鉸,屬正常情況。開200mm角縫后,直到結(jié)構(gòu)破壞,首層以上各位置的梁柱節(jié)點(diǎn)的柱端,都未再塑性屈服,證明樓板開角縫方法能較為有效地實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”,且顯著地延遲了結(jié)構(gòu)的整體破壞。3.3柱腳段裂縫分布圖7～圖9顯示結(jié)構(gòu)破壞時(shí)梁柱節(jié)點(diǎn)處混凝土開裂的位置、情況等。圖中用淺色圓環(huán)表示張開的裂縫,深色圓環(huán)表示閉合裂縫;星號(hào)指示壓潰失效的混凝土單元。圖7顯示,普通框架結(jié)構(gòu)破壞時(shí),首層梁柱中節(jié)點(diǎn)破壞較嚴(yán)重。首層柱頂處,柱表面四周全分布有密集的裂縫,柱頂?shù)淖髠?cè)邊緣部分混凝土單元壓潰。由于此時(shí)柱頂位置的縱筋已全部屈服,故在柱頂已形成了塑性鉸。另外,各柱柱腳處也均出現(xiàn)較大范圍的混凝土裂縫,左側(cè)邊柱柱根處有少量單元壓潰。首層x方向框架梁出現(xiàn)了較大范圍的開裂,尤其中節(jié)點(diǎn)左側(cè)梁端處較為密集,與前文鋼筋應(yīng)力分布情況類似?？蚣芰鹤罱K由于結(jié)構(gòu)首層柱頂、柱底的屈服破壞,結(jié)構(gòu)失效倒塌,比較接近于框架結(jié)構(gòu)的柱鉸(樓層)機(jī)制破壞及汶川地震震害實(shí)例。對(duì)于開角縫的模型,重點(diǎn)觀察首層各梁柱節(jié)點(diǎn)及各框架柱柱腳處的震害情況。如圖8中,開角縫對(duì)首層頂部中節(jié)點(diǎn)的影響較為明顯。在2.20s時(shí)刻,首層中柱柱頂尚未有明顯的裂縫,較之開角縫前,二層中柱柱底的裂縫密集程度也小了很多,柱子的破壞情況有了明顯的改進(jìn);各節(jié)點(diǎn)的梁端處,仍出現(xiàn)較大范圍裂縫;首層柱底端有較密集的裂縫分布。圖9中,顯示在2.37s時(shí),首層的左側(cè)邊柱和中柱的柱根處布滿裂縫,大量混凝土單元壓潰;尤其左側(cè)邊柱在整個(gè)柱高范圍開裂,下部1/3柱高范圍內(nèi),混凝土單元幾乎全部壓潰?？蚣苤_徹底破壞,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)最終的整體倒塌。梁端處開裂范圍繼續(xù)增大,裂縫更加密集。但直至此時(shí),首層中柱柱頂仍只在拉、壓的邊緣出現(xiàn)少量裂縫?？梢姌前彘_角縫已起到了明顯的效果,改進(jìn)后的框架結(jié)構(gòu)的最后破壞形式已經(jīng)比較接近總體機(jī)制破壞了。4土樓蓋開角縫為研究節(jié)點(diǎn)周圍開角縫后是否會(huì)削弱現(xiàn)澆樓板的剛度,引起板內(nèi)跨中最大撓度的變化,按原型尺寸建立相應(yīng)的雙向板肋梁混凝土樓蓋模型,加豎向的樓板自重及板面活荷載計(jì)算。結(jié)果表明,開角縫后,樓板跨中撓度的變化很小,滿足規(guī)范限值l0/250的要求。由板肋梁樓蓋設(shè)計(jì)原理