钢筋混凝土梁柱节点受力性能分析

关键词：梁柱节点 受力分析 抗剪性能 钢筋锚固 

　　1 节点的受力分析 

　　1.1 受力机构分析 

　　（1）斜压杆机构。第二种情况，受力后从梁和柱端部受压区混凝土产生的压应力传给节点形成节点的边缘压力，有相当大的部分也会在节点中合成斜向压力，经由斜向核心区的混凝土来承担，从而形成“斜压杆机构”。 

　　（2）剪摩擦机构。水平箍筋受到的拉力达到其屈服强度时，核心区的混凝土沿对角线形成剪切裂缝，并将核心混凝土分成两大块。其中一部分剪力由箍筋来承担，而一部分剪力由两块混凝土斜裂缝处的摩擦力抵消。 

　　（3）桁架机构。在外荷载作用下，贯穿节点的梁柱钢筋在端部受到拉、压力联合作用，把大部分的应力通过钢筋与混凝土的粘结效应以周边“剪力流”的形式进入节点，从而使梁柱节点的核心区处于纯剪切状态，而承受主拉应力及主压应力。剪力场所产生的斜向主压应力全部由节点区的混凝土来承担，而核心混凝土由于斜向主拉应力的作用沿斜向开裂后，主拉应力必定由节点的箍筋和节点的正面柱筋承担，该结构类似钢结构的“桁架机构”。 

　　1.2 节点的分类及钢筋锚固 

　　依据节点处梁和柱数目的不同，将框架结构的节点分为L型、T型、十字形三类，不同的类型节点受力差异很大。但是所有节点的核心区受力最为复杂，极其容易发生破坏，例如顶层的中柱是一个T型梁柱节点，中层梁柱则是十字型梁柱节点，建筑的边柱存在着L型梁柱节点。具体分析如下： 

　　L型节点：梁柱的钢筋全部锚固在核心区，加载受荷后节点将承受张开或闭合的弯矩，使纵筋比较容易发生锚固破坏。可以将柱外侧纵向钢筋弯入梁内作梁上部纵向受力钢筋使用，亦可将梁上部纵向钢筋和柱外侧纵向钢筋在顶层端节点及其附近部位搭接。接头可沿顶层端节点外侧及梁顶端布置，搭接长度不小于1.5la，其中，伸入梁体内部的外侧纵向柱筋截面的面积不宜小于外侧纵向柱筋全部截面面积的65%。 

　　T型节点：梁筋可以经由直线连接的方式通过节点而不锚固，因为在水平荷载的作用下柱的抗弯能力要弱于梁的抗弯能力，所以塑性铰容易在柱端出现。而对于处于水平状态的T型梁柱节点，比较容易实现强柱弱梁布置，但是其锚固却非常难，在受荷以后容易出现梁筋与柱筋的滑移。在框架结构的四角柱节点处，相交成直角的梁体将弯矩剪力传递过来，从而会出现角柱的双向偏心受压状况。这时，当柱截面高度不够时，框架梁的上部纵向钢筋可用直线方式伸入节点；当柱截面高度不足以布置直线锚固长度时，应将梁上部纵向钢筋伸至节点处并向下弯折。框架柱的纵向受力钢筋不宜在节点处中断，柱纵筋接头位置应尽量选择在层高中间等弯矩较小的区域。当节点处梁截面高度足够时，柱纵向钢筋可用直线锚固，起长度为la，同时必须伸至梁顶面，当节点处梁截面高度小于柱纵筋锚固长度la时，柱纵向钢筋应伸至梁顶面，然后向节点内水平弯折。 

　　十字型节点：框架结构中的十字型梁柱节点在四周梁体的约束下会产生约束力，因此比较安全；但是如果遇到较大的强烈地震作用，十字形节点两侧的梁在端部会受到非常大的剪切力，从而导致核心区混凝土的剪切破坏。因此，梁的上部钢筋应贯穿中间节点，该钢筋自柱边伸向跨中的截断位置应根据梁端负弯矩确定，当截面高度较大时，可采用直线锚固方式。

　　2 节点的破坏 

　　2.1 破坏分析 

　　节点的主要破坏形式是节点核心区域剪切破坏和钢筋锚固破坏。 

　　节点主要是受剪力和压力的组合作用，节点核心区域未开裂前，箍筋应力很小，基本上是混凝土承受剪力，约当剪力达到核心区域抗剪能力约60～70%时，混凝土会由于其脆性特征而突然产生对角方向的贯通裂缝，使节点的抗弯刚度大大降低，箍筋所受应力突然增大，部分箍筋甚至屈服，此后斜裂缝增多增宽，箍筋陆续达到屈服。 

　　节点区的破坏与交于节点的梁、柱破坏顺序有关，弱柱强梁型的破坏最严重。 

　　2.2 破坏类型 

　　（1）梁端受弯破坏。该类破坏的基本特征表现为，梁体端部的受拉钢筋屈服、混凝土压碎并且保护层脱落。 

　　（2）柱端压弯破坏。该类破坏的基本特征表现为，在弯区应力和轴向应力共同作用下，柱端混凝土压碎、柱筋压曲、箍筋被压曲甚至绷断，从而在柱端形成一个塑性铰。 

　　（3）粘结破坏锚固。该类破坏的基本特征表现为，在荷载反复作用下由于钢筋锚固长度的不足，钢筋与混凝土之间的粘结应力无法提抗所受的拉力而发生破坏，出现钢筋滑移或混凝土压酥、梁筋拔出等现象，而此时钢筋并未达到屈服强度。 

　　（4）核心区域剪切破坏。该类破坏的基本特征表现为，在水平作用力下，由于梁柱节点核心区域的抗剪强度不足，出现斜向对角裂缝，严重时使混凝土压碎成块而脱落、箍筋出现外鼓甚至绷断。 

　　3 节点的抗剪分析和提高抗剪的有效途径 

　　3.1 节点的抗剪分析 

　　影响框架梁柱节点核心区域抗剪承载力的因素很多，主要的因素是核心截面有效验算宽度及正交梁的约束系数，而这两个系数均与梁柱载面的宽度比值有关。建筑的底部区域，由于框架柱载面面积较大，而采用的框架梁载面宽度相对较小时，这两个系数的数值均较小，节点核心区抗剪承载力可能存在不足。结构设计中应采取提高该系数的有效措施。 　　3.2 提高节点核心区域抗剪的有效途径 

　　提高框架梁柱节点核心区抗剪承载力的途径很多（如提高节点区混凝土强度等级、加大节点区箍筋配箍率、增强框架梁对梁柱节点区的约束等），但最有效的还是加大框架梁对梁柱节点的约束，可直接加大框架梁的截面宽度或在框架梁的端部设置水平加腋（即在框架梁的宽度方向加腋）。 

　　（1）当梁柱节点核心区的实际抗剪承载力与规范要求相差不多，且框架梁截面宽度略小于1/2框架柱的截面宽度时，可结合工程实际情况适当加大框架梁的截面宽度，以满足规范对框架梁柱节点核心区的抗剪承载力验算要求。 

　　（2）当梁柱节点核心区的实际抗剪承载力与规范要求相差较多，且框架梁截面宽度远小于1/2框架柱的截面宽度时，可结合工程实际情况，在框架梁端部设置水平加腋，以加大框架梁对梁柱节点的约束宽度，满足规范对框架梁柱节点核心区的抗剪承载力验算要求。 

　　（3）当柱混凝土强度等级比梁的高较多，且梁柱节点核心区混凝土强度等级与梁板一致时，结构设计中也可根据工程具体情况，采取综合措施，整体加大梁柱节点区域，既能提高框架梁柱节点核心区抗剪承载力，又可满足节点区采用低强度等级混凝土的验算问题。 

　　（4）提高梁柱节点核心区抗剪承载力的上述方法适合于抗震等级为一、二、三级的各类框架的梁柱节点，包括框架结构、框架―剪力墙结构、框架―核心筒结构等的梁柱节点。 

　　4 结语 

　　钢筋混凝土梁柱节点的受力机构包括桁架机构、斜压杆机构、剪摩擦机构三种机构，这三种机构表征了梁柱节点的受力特点。 

　　钢筋混凝土梁柱节点的破坏主要是由于节点的钢筋锚固不足和节点的强度不够所引起的钢筋锚固破坏和节点核心区剪切破坏。 

　　提高钢筋混凝土节点核心区域抗剪能力的有效途径是提高核心截面的有效验算宽度和正交梁的约束系数。 

　　（项目基金：贺州学院自然科学基金（2011ZRKY15、2012zrpy03）/广西区大学生创新基金（2012DXCY08）） 

　　参考文献： 

　　[1] 王玉霞.钢筋混凝土框架结构梁柱节点性能的研究[J].基建管理优化，2008（20）：29-33. 

　　[2] GB50011-2010，抗震规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010：29-42. 

　　[3] 朱炳寅.提高梁柱节点核心区域抗剪承载力的有效途径――新《抗规》学习体会之二[M].北京：中国建筑工业出版社，2011：18-20.