影响索-混凝土组合梁节点受力性能的主要因素

杜帅，秦乃兵，付海军，刘俊英

(河北联合大学建筑工程学院，河北唐山 063000)

0 引言

节点是建筑结构中不可分割的一部分，包括梁柱相交的节点核心区以及与之相连的梁端和柱端。在竖向荷载和地震作用中，框架节点要承受柱子传来的轴向力、弯矩、剪力和梁传来的弯矩、剪力的作用，受力比较复杂。钢筋混凝土框架结构的破坏多集中于节点及其附近，节点破坏往往导致整个框架倒塌，后果十分严重。建筑结构抗震的指导思想是“强柱弱梁，强剪弱弯，更强节点”，节点是连接梁柱的枢纽区，是结构设计中最关键的部位。加强节点区对提高结构的整体性、可靠度以及抗震延性有举足轻重的作用。

1 节点单元的理论分析

取索-混凝土组合梁跨度为12m，梁截面400mm×600mm，刚性撑杆的高度为500mm，得索-混凝土梁有限元的基本模型如图1所示。

图1 索-混凝土梁有限元模型

1.1 节点受力机理

当竖向荷载作用时，左、右梁端截面中的内力所引起的节点剪力较小，但梁柱节点处，梁截面比较小，剪应力较大，节点的受力较为不利;而当水平地震反应较大时，左、右梁端分别交替受正、负弯矩，节点受到的剪力作用比较大，对节点受力不利。所以，应对节点在常规荷载和非常规荷载作用下的两种受力情况给予分析。

框架节点也称为节点域，包括:节点核芯区混凝土以及与核芯区相连接的梁端和柱端。梁和柱承担外部荷载，梁端和柱端将各种荷载传递到节点核芯区。端部的截面尺寸和配筋情况直接影响核芯区的受力性能。目前较常见的三种节点抗剪受力机理为:斜压杆机理、剪摩擦机理和桁架机理。

斜压杆机理是当节点区混凝土出现少量裂缝后，斜向杆状混凝土块承担压力。

剪摩擦机理是当节点区出现较多裂缝时，核芯区混凝土出现分块现象。在柱子竖向荷载作用及箍筋的围护作用下，各块体之间形成巨大的摩擦力，并伴有轻微的滑移。这时，若节点受到侧向作用，块体之间的滑移加大，导致节点破坏。

桁架机理是在梁端反复荷载及竖向荷载作用下，裂缝大量出现，混凝土压碎外鼓，少量块体脱落。剩下的骨架好比一个桁架，承担竖向和侧向荷载。再加上节点处有一根施加预应力的钢索，这使得桁架机理变得复杂。

1.2 节点失效方式

梁柱节点，在低周交变加载试验中，根据梁柱两端正截面承载力和节点抗剪承载力的强弱，节点出现脆性破坏、平衡破坏和延性破坏三种失效方式。

脆性破坏由于梁柱端部配筋过多，钢筋没有屈服，而节点就已经破坏，应该避免。平衡破坏是在梁柱端部钢筋屈服时，节点刚好破坏。这种情况对于抵抗地震没有安全储备，也应适当避免。延性破坏是钢筋屈服后，随着节点交替变形，端部形成塑性铰，丧失正截面承载力，未发生剪切破坏。在地震作用下，延性破坏起到耗能作用。

所以，节点设计时，控制好混凝土强度和配筋率，尽量达到延性破坏要求。

1.3 节点的变形和延性

1)节点的变形

节点的变形包括梁柱杆件的弯曲变形和节点核芯区的变形。在外荷载作用下，梁的弯曲变形过大会影响到梁跨中挠度，若挠度过大，梁跨中底部产生裂缝，影响正常使用。控制梁端弯曲，可以调整梁端配筋率，混凝土强度等。节点核芯区的变形会使滞回环变窄，耗能减小。减小核芯区的变形可以通过调整配箍率改善。

2)节点的延性

延性是反映结构、构件或材料非弹性变形能力的一个度量指标。是评价结构抗震性能好坏的重要因素。节点在单调荷载作用下屈服时的变形为Δy，节点的最大允许变形为Δu。节点延性为最大允许变形与屈服变形之比。以μΔ表示。

对节点延性的要求，一方面指节点核芯区;另一方面是指临近核芯区的梁端和柱端。延性的大小直接影响结构对地震作用耗能能力，对延长结构的破坏时间有重要作用。

2 节点基本模型

图2给出了索-混凝土组合梁中间层边节点模型。梁截面尺寸为400 mm×600 mm，柱端长度各取1000 mm，截面尺寸为1000 mm×1000 mm，索初始应变为0.0001，索截面积为706.5 mm2，梁柱纵筋为HRB400级钢筋，箍筋为HPB235级钢筋。梁底纵筋8根直径32 mm，分两排布置，梁顶纵筋8根直径32 mm，分两排布置，梁箍筋φ10@50，柱四个角处各布1根直径25 mm纵筋，每侧面布3根直径22mm纵筋，柱箍筋φ8@100。

图2 索-混凝土组合梁中间层边节点模型

为便于观察节点内部的配筋分布情况，在ANSYS软件中选择显示钢筋单元选项，得到的节点配筋，如图3所示。

图3 索-混凝土组合梁中间层边节点配筋

3 各因素对节点静力特性的影响

对于节点，分析其在静荷载作用下的受力情况。节点包括节点核心区混凝土和梁端、柱端。边节点有中间层边节点和顶层边节点之分，这里主要介绍中间层边节点的受力分析。

3.1 材料强度

索-混凝土组合梁节点由混凝土、钢筋和拉索组成。钢筋和索的强度一般都已固定，所指材料强度是指混凝土的强度。在中间层边节点模型中，梁箍筋为φ10@50，改变混凝土强度后，对索-混凝土组合梁节点的梁端施加集中荷载，其荷载位移关系如表1所示，荷载位移曲线如图4所示。

表1 Y方向荷载位移关系表

图4 Y方向荷载位移曲线

由图4可见，随着混凝土强度的提高，相同荷载作用下，节点梁端的Y方向位移减小。说明提高混凝土强度对减小梁挠度有利。但混凝土强度增大到一定程度之后，中间层边节点会发生破坏。

3.2 梁箍筋配筋率

索-混凝土组合梁节点中，主要研究梁端的箍筋配筋率对节点承载力的影响。在中间层边节点模型中，混凝土强度为C40，只改变梁箍筋配筋率，其它因素一致。通过对其梁端施加不同集中荷载，得到在不同配筋率情况下节点梁端的Y方向位移如表2所示，荷载位移曲线如图5所示。

表2 Y方向荷载位移关系表

图5 Y方向荷载位移曲线

由图5可见，梁箍筋配筋率的增大和减小都会使索-混凝土梁节点梁端的Y方向位移增大，中间层边节点最佳箍筋配筋率为0.0039。

3.3 柱轴压比

在中间层边节点模型中，混凝土强度为C40，梁箍筋配筋率为0.0039，改变柱轴压比之后，对节点梁端施加集中力，得到的Y方向位移如表3所示，荷载位移曲线如图6所示。

表3 Y方向荷载位移关系表

图6 Y方向荷载位移关系表

由图6可见，对柱施加压力后，节点梁端的Y方向位移增加，而且不同轴压比作用下，节点梁端Y方向位移量一致。因为节点处索的拉力与柱的竖向压力共同作用使得节点横向变形加大，节点混凝土易压碎，影响节点承载力。所以应控制中间层边节点处柱的轴压比。

3.4 柱子纵向钢筋

在中间层边节点模型中，梁箍筋配筋率为0.0039，混凝土强度C40，只改变柱纵筋配筋率，对节点梁端施加集中力，得到的Y方向位移如表4所示，荷载位移关系曲线如图7所示。

表4 Y方向荷载位移关系表

图7 Y方向荷载位移曲线

由图7可见，改变柱纵筋配筋率，节点梁端的Y方向位移变化趋势没有波动。说明柱纵筋配筋率对中间层边节点承载力没有影响。

3.5 梁纵向钢筋

在中间层边节点模型中，梁箍筋配筋率为0.0039，混凝土强度C40，只改变梁纵筋配筋率，对节点梁端施加集中力，得到的Y方向位移如表5所示，荷载位移变化曲线如图8所示。

表5 Y方向荷载位移关系表

图8 Y方向荷载位移曲线

由图8可见，只改变梁纵筋配筋率，梁端的位移变化趋势一致。说明梁纵筋配筋率对中间层边节点承载力没有影响。

4 结论

通过对索-混凝土组合梁中间层边节点的静力分析可知:增大混凝土强度对提高节点承载力有利，但强度应有所限制;节点梁端箍筋配筋率以0.0039为宜;减小轴压比对控制中间层边节点承载力有利;梁、柱纵筋配筋率对节点承载力没有影响。所以对节点设计时应严格控制混凝土材料强度、柱的轴压比以及节点梁端箍筋配筋率。

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