楊治洪,李英民,劉建偉,韓 軍

(1.重慶大學土木工程學院,重慶 400045;2.重慶市南岸區(qū)建委,重慶 400060）

對于高層建筑中普遍存在的柱混凝土強度高于梁的情況,將節(jié)點核心區(qū)與梁一起澆注形成的框架節(jié)點稱之為夾心節(jié)點。與傳統(tǒng)節(jié)點(核心區(qū)混凝土強度與柱相同的節(jié)點)相比,此類節(jié)點具有施工方便、快捷的優(yōu)勢,近年來受到廣泛關注并成為一項迫切的工程需求。

國外自20世紀60年代開始對夾心節(jié)點展開研究[1-2],致力于研究核心區(qū)混凝土強度降低對構件受壓承載能力的影響[3-6],提出的核心區(qū)混凝土抗壓折算強度計算方法被美國ACI、加拿大CSA等規(guī)范采納[7-8]。由于國外的試驗沒有對試件的抗震性能及節(jié)點核心區(qū)受剪承載能力進行研究,且研究對象絕大多數(shù)為板柱節(jié)點。20世紀90年代開始,同濟大學、北京建筑設計研究院等單位完成了包括空間端節(jié)點、空間角節(jié)點、平面十字形節(jié)點在內(nèi)的21個夾心節(jié)點試件的擬靜力試驗[9-12],一定程度上驗證了采用框架夾心節(jié)點的可行性。但上述試件剪壓比普遍偏小,且未明確夾心節(jié)點與傳統(tǒng)節(jié)點抗震性能的差別。為此,重慶大學完成了18個近足尺中高剪壓比夾心節(jié)點的擬靜力試驗[13],包括9個平面中節(jié)點、2個平面端節(jié)點、3個空間節(jié)點及4個采取增設斜筋、加插短筋、設直交梁等加強措施的平面中節(jié)點;并選取其中6個平面節(jié)點、3個空間節(jié)點與配筋、尺寸相近的傳統(tǒng)節(jié)點進行了抗震性能對比分析[14-15]。研究顯示,雖然夾心節(jié)點的受力、變形、梁筋粘結錨固等性能相對傳統(tǒng)節(jié)點更為不利,但多數(shù)節(jié)點的抗震性能可滿足結構抗震設計的要求,或采取加強措施后可滿足。

上述研究揭示了夾心節(jié)點的抗震性能及其與傳統(tǒng)節(jié)點的差別,驗證了夾心節(jié)點的可行性,但并未提出系統(tǒng)的夾心節(jié)點設計方法。因研究所限,《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3-2002)要求對于梁柱混凝土強度級差大于5 MPa的節(jié)點,按梁混凝土澆注時應作專門處理,但未明確處理方法。為此,以試驗結果為依據(jù),結合非線性有限元模擬,提出了夾心節(jié)點設計的參數(shù)限值、驗算內(nèi)容和驗算公式。

1 夾心節(jié)點驗算內(nèi)容及設計準則

擬靜力試驗過程中剪切破壞是夾心節(jié)點核心區(qū)最主要的破壞模式,中高剪壓比試件配箍不足可能加速核心區(qū)剪切破壞,使試件達不到所需延性,可見受剪承載力是影響夾心節(jié)點抗震性能的重要方面。為保障夾心節(jié)點核心區(qū)受剪承載力,夾心節(jié)點設計時應通過仔細的抗剪驗算確定核心區(qū)箍筋數(shù)量。

擬靜力試驗過程雖未出現(xiàn)核心區(qū)受壓破壞的情況,但試驗發(fā)現(xiàn)夾心節(jié)點核心區(qū)受壓承載力弱于傳統(tǒng)節(jié)點,試驗過程中個別試件柱端偏壓破壞可能也與核心區(qū)混凝土強度降低有關,此外,軸壓試驗也表明夾心節(jié)點試件可能出現(xiàn)核心區(qū)軸壓破壞,為此需對夾心節(jié)點核心區(qū)進行受壓承載力驗算,并采取保障柱端承載能力的措施。由于試驗過程中并未出現(xiàn)核心區(qū)偏壓破壞的情況,偏壓破壞的破裂面或驗算截面并不明確,設計過程中主要進行軸壓驗算。

試驗顯示多數(shù)夾心節(jié)點達到3.5以上的位移延性,基本達到了框架節(jié)點設計要求的延性控制準則[16],即在梁端或柱端受拉鋼筋先行屈服的前提下,節(jié)點核心區(qū)能達到所需要的延性而不發(fā)生破壞。但試驗研究顯示夾心節(jié)點適用范圍與傳統(tǒng)節(jié)點不同,且受壓、受剪承載力低于傳統(tǒng)節(jié)點,抗震設計時僅進行簡單替換不足以保障結構的安全性。為滿足結構抗震要求,夾心節(jié)點設計時設置最高剪壓比限值等參數(shù)約束節(jié)點適用范圍;通過核心區(qū)受壓驗算、受剪驗算保障其承載力,必要時可采取核心區(qū)加強措施;采取合理的構造措施避免梁筋過度的粘結退化。

2 夾心節(jié)點設計參數(shù)限值

2.1 剪壓比限值

剪壓比是影響試件破壞模式最主要因素,低剪壓比試件因梁端破壞導致失效的情況較多,其抗震性能與傳統(tǒng)節(jié)點差別不大;高剪壓比試件失效通常因核心區(qū)剪切破壞造成,此種破壞模式的試件其抗震性能通常弱于傳統(tǒng)節(jié)點。隨著剪壓比的增加,夾心節(jié)點試件核心區(qū)相對受剪承載力(最大作用剪力與計算承載力之比)降低,梁筋粘結錨固性能退化,位移延性減小。如圖1所示,4個夾心節(jié)點柱梁混凝土強度比均為1.5,剪壓比越高試件位移延性越低,剪壓比最高的節(jié)點(0.35左右)雖然配箍率明顯高于其他試件,但其位移延性最低。可見,雖然通過增加節(jié)點箍筋一定程度上可以彌補夾心節(jié)點核心區(qū)受剪承載力的不足,但剪壓比過高的情況下核心區(qū)受剪承載力明顯降低,此時增加核心區(qū)配箍率作用十分有限。為保障核心區(qū)的抗剪性能,夾心節(jié)點設計時建議剪壓比控制在0.3以下,剪壓比依據(jù)核心區(qū)混凝土折算強度計算。

2.2 軸壓比限值

軸壓比提高有利于改善梁筋粘結性能,但對其他方面的性能如耗能性能、變形性能等有一定不利影響,由于夾心節(jié)點試件多為中高剪壓比試件,試驗過程中軸壓比變化對其破壞模式及抗震性能的影響并非十分明顯。核心區(qū)剪切破壞往往先于軸壓破壞出現(xiàn),在試驗軸壓比最高接近0.8的情況下,仍未出現(xiàn)核心區(qū)受壓破壞的情況,夾心節(jié)點受壓承載力弱于傳統(tǒng)節(jié)點的現(xiàn)象雖然沒有凸顯,但這種現(xiàn)象事實上是存在的。研究顯示柱梁混凝土強度比低于1.5時,夾心節(jié)點核心區(qū)受壓承載力通常不低于柱端[17],擬靜力試驗時2個試件受壓破壞部位出現(xiàn)在柱端就可能與此有關。

圖1 平面夾心節(jié)點剪壓比、配箍率與位移延性

鑒于抗壓能力的削弱及其可能存在的不利影響,夾心節(jié)點試件設置軸壓比限值是必要的,框架結構采用夾心節(jié)點時,其軸壓比限值可與傳統(tǒng)節(jié)點相同,但軸壓比驗算時應采用核心區(qū)混凝土折算強度,此時柱梁混凝土強度比較高的夾心節(jié)點試件軸壓比控制要求嚴于傳統(tǒng)節(jié)點。

2.3 柱梁混凝土強度比限值

核心區(qū)按梁混凝土澆注導致節(jié)點剛度降低,變形增大,造成節(jié)點核心區(qū)及梁外端的承載力下降,并引發(fā)梁筋粘結錨固性能下降等問題。如圖2所示,對于柱混凝土強度相近的框架節(jié)點試件,核心區(qū)混凝土強度越低,試件梁端承載力也越低。

國內(nèi)完成的夾心節(jié)點試件柱梁混凝土強度比大都不高于2.0,已涵蓋柱、梁混凝土級配的常規(guī)范圍。核心區(qū)混凝土強度降低更多時梁端承載力下降嚴重且試件位移延性較差,限于目前柱梁混凝土強度比低于2.0的試件研究不多,建議夾心節(jié)點設計時柱梁混凝土強度比不高于2.0。

2.4 核心區(qū)配箍量限值

核心區(qū)配箍量對核心區(qū)受剪承載力、位移延性等有一定影響,框架節(jié)點設計通過足夠的核心區(qū)配箍達到所需的位移延性。由圖3可知,即便在核心區(qū)配箍率較低的情況下,低剪壓比夾心節(jié)點試件仍具有相對較高的受剪承載力,試件破壞部位通常出現(xiàn)在梁端,試驗過程中僅有個別配箍率明顯較低的試件出現(xiàn)核心區(qū)剪切破壞?？梢?低剪壓比夾心節(jié)點試件核心區(qū)受剪承載力相對較高,設計過程中滿足現(xiàn)行規(guī)范最低配箍特征值和最小體積配箍率限值即可。由于夾心節(jié)點與傳統(tǒng)節(jié)點具有相同的最低配箍量限值,低剪壓比框架節(jié)點按梁混凝土澆注時,不會增加核心區(qū)箍筋用量。

圖2 柱梁砼強度比不同時試件的骨架曲線

圖3 低剪壓比夾心節(jié)點的破壞特征

2.5 梁筋粘結錨固長度限值

梁筋粘結錨固退化過快可能導致試件耗能能力降低,位移延性下降等。試驗過程中同等受力狀態(tài)下夾心節(jié)點梁筋滑移量明顯大于傳統(tǒng)節(jié)點,柱梁混凝土強度比為1.5時,大約相差30%,如圖4所示。建議梁筋貫穿節(jié)點段長度與梁筋直徑的最小比值低于傳統(tǒng)節(jié)點,控制在1/30以內(nèi),剪壓比越高,越應從嚴控制。

圖4 節(jié)點貫穿段梁筋滑移量平均值

3 夾心節(jié)點核心區(qū)承載力驗算公式

試驗研究明確了夾心節(jié)點核心區(qū)受壓驗算、受剪驗算的必要性,但由于試驗數(shù)據(jù)多為定性分析結果,難以得到具體承載力驗算公式。該文采用ANSYS軟件建立了2類節(jié)點的有限元模型,對其受壓承載力、受剪承載力進行模擬,定量分析了夾心節(jié)點核心區(qū)承載力影響因素,結合試驗研究結果提出了承載力驗算公式。

建立分離式模型(SOLID65+link8)模擬鋼筋混凝土節(jié)點,認為鋼筋和混凝土粘結良好,不考慮滑移。考慮到收斂精度及計算量等因素把梁、柱外端局部設置成彈性單元?；炷帘緲嬯P系采用規(guī)范提供的單軸抗壓強度曲線,并采用多線性隨動強化模型(MKIN)以反映混凝土的軟化。失效面模型采用William—Warnke五參數(shù)強度模型,模型劃分網(wǎng)格時盡量采用六面體單元。所有模型梁柱分為2種級配,1種為梁20.9 MPa/柱31.7 MPa;另1種為梁20.9 MPa/柱45 MPa。受壓模擬時,施加柱頂軸向壓力直至計算發(fā)散;受剪模擬時,固定柱頂軸力,施加水平力直至計算發(fā)散。

3.1 核心區(qū)受壓驗算公式

研究表明,梁板及核心區(qū)箍筋約束效應的存在提高了夾心節(jié)點核心區(qū)受壓承載力,核心區(qū)混凝土受壓強度還與節(jié)點配箍量有關。

核心區(qū)配箍量對夾心節(jié)點承載力的影響低于傳統(tǒng)節(jié)點,如圖5所示,夾心節(jié)點配箍較多時核心區(qū)受壓承載力提高不明顯,因此可不考慮核心區(qū)配箍對夾心節(jié)點受壓強度的影響。而梁板約束效應對夾心節(jié)點核心區(qū)受壓承載力影響大于傳統(tǒng)節(jié)點,柱梁混凝土強度比為1.5時,夾心節(jié)點由平面節(jié)點變?yōu)榭臻g節(jié)點承載力提高了28.5%,相應傳統(tǒng)節(jié)點僅提高了9.5%,夾心節(jié)點設計時應考慮不同類型試件梁板約束效應的差別,采用不同的核心區(qū)混凝土折算強度。依據(jù)現(xiàn)有研究,建議角節(jié)點核心區(qū)混凝土抗壓強度不予提高,中節(jié)點最多提高1.4倍左右,端節(jié)點提高程度略高于兩者平均值。

圖5 框架節(jié)點受壓承載力模擬部分結果

柱梁混凝土強度比超過1.5時,柱混凝土強度增加不再能夠明顯提高核心區(qū)受壓承載力。如圖5所示,柱混凝土強度由 31.7 MPa提高到45 MPa時,試件極限受壓承載力僅提高3%左右。對于柱梁混凝土強度比較大的夾心節(jié)點,核心區(qū)受壓承載力不應過多提高,夾心節(jié)點核心區(qū)混凝土抗壓折算強度最高不超過柱混凝土抗壓強度。

基于上述研究并參照相關規(guī)范,核心區(qū)混凝土折算抗壓強度fce取值建議為:中節(jié)點:

式中 fcs為梁混凝土抗壓強度,fcc為柱混凝土抗壓強度,滿足 fcc≤2fcs。

夾心節(jié)點受壓驗算時,承載力構成要素與傳統(tǒng)節(jié)點類似,僅核心區(qū)混凝土抗壓強度不同,軸心受壓驗算公式為:

式中φ指構件穩(wěn)定系數(shù),A指核心區(qū)截面積,f′yA′S指縱筋受壓承載力。

3.2 核心區(qū)受剪驗算公式

圖6 夾心節(jié)點試件的配箍水平與位移延性μΔ

夾心節(jié)點核心區(qū)受剪承載力與柱梁混凝土強度比、軸壓比、核心區(qū)配箍量等有關。隨著軸壓比的增加,夾心節(jié)點、傳統(tǒng)節(jié)點核心區(qū)受剪承載力均有明顯提高,且提高的程度十分接近,如表1所示,可見軸壓比變化對2類節(jié)點受剪承載力的影響相近,2類節(jié)點驗算時軸壓比項可取相同數(shù)值。由圖6可知,夾心節(jié)點若取用與傳統(tǒng)節(jié)點相近的核心區(qū)配箍水平,不僅受剪承載力低于傳統(tǒng)節(jié)點,部分節(jié)點位移延性較差。即便將梁混凝土強度代人規(guī)范公式進行抗剪驗算以增大核心區(qū)箍筋,夾心節(jié)點核心區(qū)受剪承載力也僅達到傳統(tǒng)節(jié)點的80%左右,如表1所示。為保障夾心節(jié)點的位移延性,依據(jù)2類節(jié)點受剪承載力的實際差別,夾心節(jié)點抗剪驗算時,混凝土承載力項可采用梁混凝土強度,并將箍筋承載力折減75%。

表1 框架節(jié)點受剪承載力模擬結果

基于上述研究,夾心節(jié)點受剪驗算公式中,核心區(qū)受剪承載力仍由混凝土承載力、箍筋承載力、軸壓比作用3項構成,但其數(shù)值與傳統(tǒng)節(jié)點有所差別。9度區(qū)以外節(jié)點抗剪驗算公式可表示為:

式中ηj指正交梁對節(jié)點的約束影響系數(shù),ftb指梁混凝土抗拉強度設計值,其他參數(shù)取值與傳統(tǒng)節(jié)點相同。由于低剪壓比節(jié)點配箍由最小配箍量而非上式計算值控制,低剪壓比夾心節(jié)點核心區(qū)配箍量沒有增加。

(注:文中fcc指柱混凝土抗壓強度,fcb指梁混凝土抗壓強度,fce指核心區(qū)折算混凝土抗壓強度;bj、hj指核心區(qū)寬度、高度;fyv指節(jié)點箍筋強度;Asv指核心區(qū)有效驗算寬度范圍內(nèi)同一截面驗算方向箍筋各肢的全部截面面積。Vjh/fcbbjhj、Vjh/fccbjhj分別表示按梁、柱混凝土強度計算的剪壓比;ρsvfyv/fcb、ρsvfyv/fcc分別表示按梁、柱混凝土強度計算的核心區(qū)配箍特征值,其中ρsv=Asv/bjhj。)

4 核心區(qū)加強措施設計及驗算方法

增加核心區(qū)受力鋼筋或提高核心區(qū)約束效應可以改善夾心節(jié)點的抗震性能,試驗研究過程中采取的核心區(qū)加強措施主要包括增設交叉斜筋、加插豎向短筋、增設直交梁(近似考察梁端加腋等提高核心區(qū)約束效應的措施),如圖7所示。

圖7 核心區(qū)加強措施示意

試驗過程中核心區(qū)交叉斜筋的存在增強了斜壓桿機構的承載力,使得試件剪切變形減小,核心區(qū)受剪承載力提高;核心區(qū)豎向短筋承擔了部分豎向荷載,限制了核心區(qū)裂縫的發(fā)展,改善了試件的抗震性能;增設直交梁的試件因直交梁缺乏水平箍筋約束而率先破壞,未能切實改善核心區(qū)約束效應。

總體而言,加強措施對于核心區(qū)承載力的提高是有效的,對于受力較為不利的夾心節(jié)點試件,為保障其抗震性能,必要時可采取適當?shù)募訌姶胧?。加強措施的鋼筋可依?jù)受力情況參與核心區(qū)承載力驗算,如新增交叉斜筋的豎向分量或新增豎向短筋可等代柱縱筋參與核心區(qū)受壓驗算;新增交叉斜筋水平分量的50%承擔節(jié)點水平剪力;若核心區(qū)約束效應因梁端加腋、增設直交梁等措施得以改善,夾心節(jié)點設計時核心區(qū)混凝土可取用更高的核心區(qū)折算強度,具體計算方法尚待進一步研究。

5 結論

結合試驗研究及有限元模擬的結果,系統(tǒng)提出了夾心節(jié)點設計方法,具體為:

1)夾心節(jié)點設計過程中,為達到所需位移延性并滿足承載力要求,需設置剪壓比、軸壓比、柱梁混凝土強度比、核心區(qū)配箍率等參數(shù)約束節(jié)點適用范圍;通過核心區(qū)受壓承載力、受剪承載力驗算保障節(jié)點的承載力,必要時可采取加強措施;采取合理的構造措施避免梁筋過度的粘結退化。

2)核心區(qū)混凝土折算受壓強度應體現(xiàn)不同類型節(jié)點約束效應的差別及柱梁混凝土強度比的影響,角節(jié)點混凝土折算抗壓強度不予提高,中節(jié)點最高提高1.4倍左右且不超過柱混凝土受壓強度,端節(jié)點折算強度略高于角節(jié)點與中節(jié)點平均值。

3)為保障夾心節(jié)點核心區(qū)承載力與實際相符,受壓驗算、受剪驗算公式形式與傳統(tǒng)節(jié)點相同,但受壓驗算公式取用核心區(qū)折算抗壓強度,受剪驗算公式取用梁混凝土抗壓強度,受剪驗算時將箍筋承載力折減75%。

[1]BIANCHINI C A,WOODS E R,KESLER E C.Effect of floor concrete strength on column strength[J].Journal of the American Concrete Institute,1960,31(11):1149-1169.

[2]MCHARG J P,COOK D W,MITCHELL D,et al Improved transmission of high-strength concrete column loads through normal strength concrete slabs[J].ACI Structural Journal,2000,97(1):157-165.

[3]LEE S C,MENDIS P.Behavior of high-strength concrete corner columns intersected by weaker slabs with different thicknesses[J].ACI Structural Journal,2004,101(1):11-18.

[4]SUBRAMANIAN N.Transmission of HSC column loads through NSC slabs[J].Indian Concrete Journal,2006,80:44-49.

[5]LEE J H,YOON Y S,COOK W D,et al.Benefits of using puddled HSC with fibers in slabs to transmit HSC column loads[J].Journal of Structural Engineering,2007,133(12):1843-1847.

[6]LEE J H,YANG J M,YOON Y S.Strategic Slabcolumn joint details for improved transmission of HSC column loads[J].Magazine of Concrete Research,2008,60:85-91.

[7]AMERICAN CONCRETE INSTITU TE.Building Code Requirement for Reinforced Concrete and Commentary[S].ACI 318M-05:2005.

[8]CANADIAN STANDARDS ASSOCIATION.Design of Concrete Structures[S].CSA A23.3-04:2004.

[9]ZHAO MING,SU XIAO-ZU,LU DAO-YUAN,et al.Seismic properties of rc frame sandwich type joint[C]//Proceedings of 13th World Conference on Earthquake Engineering.Canada,August 1-6,2004.

[10]陸浩亮,李思明,金國芳.梁柱不同混凝土強度的高層框架節(jié)點試驗和有限元分析[J].力學季刊,2004,25(1):129-134.LU HAO-LIANG,LI SI-MING,JIN GUO-FANG.Tests and finite element analysis of frame joints(beams and columns with different grade concrete)in tall building[J].Chinese Quarterly of Mechanics,2004,25(1):129-134.

[11]余瓊,李思明.核心區(qū)和柱混凝土強度不等時節(jié)點的性能研究[J].同濟大學學報:自然科學版,2004,32(12):1583-1588.YU QIONG,LI SI-MING.Research on frame's joint that concrete strength of core is inferior to that of column[J].Journal of Tongji Univers1ty:Natural Science Edition,2004,32(12):1583-1588.

[12]徐斌,程懋堃,張美勵,等.核芯區(qū)混凝土強度低于柱的框架節(jié)點受力性能試驗研究[J].建筑結構,2006,36(06):18-22.XU BIN,CHENG MAO-KUN,ZHANG MEI-LI,et al.Experimentalstudy on behavior of reinforced concrete beam-column joint with lower core concrete strength[J].Building Structure,2006,36(06):18-22.

[13]重慶大學土木工程學院.框架節(jié)點核芯區(qū)按梁混凝土施工措施研究[R].重慶大學,2007.COLLEGE OF CIVIL ENGERRING.Study of construction measures for reinforcement concrete frame joints with beam strength concrete[R].Chongqing University,Chongqing:2007.

[14]劉建偉,李英民,楊治洪,等.平面 RC框架夾心節(jié)點與傳統(tǒng)節(jié)點抗震性能對比試驗[J].建筑結構,2009,39(4):10-13.LIU JIAN-WEI,LI YING-MIN,YANG ZHI-HONG,et al.Comparison of behavior of traditional and sandwich plane rc beam-column joints based on cyclic load test[J].Building Structure,2009,39(4):10-13.

[15]劉建偉,李英民,楊治洪,等.空間 RC框架夾心節(jié)點與傳統(tǒng)節(jié)點抗震性能對比試驗[J].工業(yè)建筑,2009,39(4):10-13.LIU JIAN-WEI,LIYING-MIN,YANG ZHIHONG,,et al.Comparison of behavior of traditional and sandwich space rc beam-column joints based on cyclic load test[J].Industrial Construction,2009,39(2):88-92.

[16]游淵,傅劍平,白紹良,等.鋼筋混凝土抗震框架梁柱節(jié)點的延性設計準則[J].重慶建筑大學學報,1996,18(4):12-20.YOU YUAN,FU JIAN-PING,BAI SHAO-LIANG,et al.Principle of seismic ductility design of reinforcement concrete beam-column joints[J].Journal of Chongqing Jianzhu University,1996,18(4):12-20.

[17]段建中,劉立兵,方高倪,等.不同強度混凝土梁柱節(jié)點承載性能研究[J].合肥工業(yè)大學學報:自然科學版,2004,27(4):396-400.DUAN JIAN-ZHONG,LIU LI-BING,FANG GAONI,et al.Experimental research on interior beamcolumn joints as the column and beam are constructed with different strength concrete[J].Journal of Hefei University Of Technology:Natural Science Edition,2004,27(4):396-400.