偏心钢筋混凝土梁柱节点的抗剪承载力分析★

刘 莹

(烟台大学土木工程学院，山东 烟台 264005)

1 概述

钢筋混凝土梁柱节点是框架结构承受横向水平地震荷载的关键部位，在受载时具有传力枢纽的作用，除了承受相邻梁、柱传递的弯矩和剪力外，当梁、柱中心线不重合时，梁柱节点受载过程中会产生扭矩作用降低节点的抗剪承载力。在震后勘察中发现，节点剪切破坏导致大量的钢筋混凝土建筑倒塌，造成人员伤亡和巨大的经济损失[1-3]。

在工程实践中，由于外观等建筑细节的几何约束，偏心梁柱节点并不少见。目前我国《建筑抗震设计规范》[4]仅通过规定核芯区的截面有效验算宽度考虑偏心节点的力学性能，并未对偏心梁柱节点的抗剪承载力进行单独说明，尤其是对无合理抗震设计的偏心梁柱节点的研究较少。为了保证建筑结构安全，避免梁柱节点的剪切破坏，需要对规范方法的适用性进行评估。

虽然将我国香港划分为7度抗震区，但目前仍然存在大量未考虑抗震设计的框架结构。本文以香港某现存偏心梁柱节点为研究对象，通过试验方法测试了其抗剪强度，并与各国规范的计算结果进行对比分析。

2 工程实例计算与分析

2.1 偏心梁柱节点试件

偏心钢筋混凝土梁柱节点的尺寸和配筋信息如图1所示，节点侧面横梁的长度取到跨中，节点上、下两侧柱取反弯点为截断点，柱截面尺寸为300 mm×300 mm，梁截面尺寸为150 mm×450 mm，混凝土保护层厚度c=25 mm，钢筋型号为HRB500，偏心距为75 mm(bc/4)，标准混凝土立方体试块抗压强度为40.1 MPa。

2.2 试验加载方案

加载装置如图2所示，试验过程中保持柱端轴力不变(轴压比为0.1)，然后在梁端施加水平往复荷载，加载制度如图3所示，每一加载等级循环三次。当承载力下降到峰值荷载的85%时，认为梁柱节点构件破坏。

2.3 各国抗剪强度规范

1)我国GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016版)。

我国抗震规范附录D.1.4中规定，7度抗震区框架节点核芯区的截面抗震受剪承载力公式如下：

(1)

2)ACI 318—14(2014)[5]。

在美国规范ACI 318—14中，框架边节点的抗剪强度为：

(2)

(3)

3)NZS 3101:2006(2017)[6]。

在新西兰混凝土结构规范中，钢筋混凝土框架边节点的抗剪强度可用下式计算：

(4)

4)Eurocode 8(2004+A1:2013)[7]。

在欧洲规范Eurocode 8第1部分中规定，节点核芯区配置箍筋的框架边节点的抗剪强度可以用下式计算：

(5)

其中,Ash为水平箍筋总截面面积；fctd为混凝土抗拉强度；υd为柱端设计轴力；hjw为梁截面顶部钢筋与底部钢筋之间的距离；hjc为柱截面外侧钢筋之间的距离。

5)我国香港混凝土结构规范(HKSUC, 2013)[8]。

香港混凝土结构规范中，梁柱节点抗剪强度按下式计算：

(6)

其中，Aj为节点内剪切钢筋有效面积；Cj为正交梁影响系数，对T型节点取值为1；Ac为柱截面面积。

6)Eurocode 2(2004+a1:2014(E))[9]。

欧洲规范Eurocode 2中并未对梁柱节点抗剪强度进行明确规定，可以将节点看作柱的一部分[10]，因此按照该规范6.2节中规定可知节点抗剪强度为：

(7)

2.4 试验结果与规范计算结果比较

试验测量得到的数据为梁端荷载，需要转化为节点核芯区剪力，按下式计算：

(8)

其中，Tb，Vcol分别为梁内钢筋的拉应力和柱的剪力；P为梁端水平荷载；db，Lc分别为梁的有效截面高度和柱长。

抗剪承载力是反映梁柱节点抗震性能的重要指标，将试验结果与规范计算结果进行比较，具体见表1。

表1 试验抗剪强度与规范法计算的抗剪承载力比较表

由表1可知，上述四种抗震规范计算的抗剪强度均明显大于实际抗剪承载力。对于两种非抗震规范来说，虽然欧洲规范对该节点抗剪强度的评估明显优于香港规范的方法，但实际抗剪强度仅为欧洲规范的96%，仍然未达到规范法计算的抗剪承载力，这主要是由于偏心产生扭矩，改变了节点的受力状态，导致抗震性能未达到规范设计要求。

3 结语

各国规范提供的方法进行了很多简化，适用于比较规则的非偏心梁柱节点，对于目前现存的非抗震设计的偏心梁柱节点的抗剪承载力并不能进行有效评估，传统设计理念固有的缺陷使建筑结构对预期的地震风险具有较高的敏感性。香港等中度地震区大量现存的建筑可能需要进行加固或改修，对非抗震设计的偏心梁柱节点的抗剪承载力进行更好的认识是必不可少的。因此，有必要在现行规范的基础上建立一种合理的方法，来考虑由于梁、柱轴线不重合引起的扭矩作用对梁柱节点抗剪承载力的影响，有效分析中低地震区偏心钢筋混凝土梁柱节点的抗震性能。