钢筋混凝土框架节点抗震研究综述

摘要：介绍了各国钢筋混凝土框架节点抗震性能的研究现状。重点阐述了框架节点的破坏机理和节点抗震的影响因素，并对现行各国规范关于框架节点的抗震设计控制体系进行了分类，指出了在结构设计时应注意的问题。结合国内外的研究成果，给出了框架节点研究的现存问题及以后的研究方向。

关键词：钢筋混凝土；框架节点；研究现状；破坏机理；抗震性能

1 引言

近年来，随着抗震理论的深入发展，在钢筋混凝土框架结构的延性设计上，“强剪弱弯，弱梁强柱，强节点弱构件”已经成为工程界的共识。框架节点受力复杂，施工困难，是建筑结构的关键部位。震害和研究表明，框架节点是结构抗震的薄弱环节。在地震作用下，节点承受很大的水平剪力，会产生剪切脆性破坏，另外，在反复荷载作用下，钢筋粘结力退化，易发生钢筋锚固破坏，从而大大降低节点的强度、刚度和耗能能力。因此梁柱节点的抗震设计是混凝土框架结构抗震设计的主要内容。然而，我国《建筑抗震设计规范》（GB50011―2001）中用于抗震框架节点设计的主要计算公式是用来确定节点水平箍筋用量，并未全面考虑到影响钢筋混凝土框架节点抗震性能的各种因素，所以，在节点研究的很多方面值得进一步探讨研究。

2 框架节点受力特点及分类

节点主要是指框架梁和框架柱相交的节点核心区域及临近核心区的梁端和柱端。节点在框架中起着传递和分配内力、保证结构整体性的作用，是框架结构的一个重要部件。框架受力后，节点主要承受柱子传来的轴向力、剪力和弯矩，梁传来的剪力和弯矩。若梁柱轴线存在偏心，则会使节点承受扭矩。此外，混凝土收缩、徐变、温度变化以及工程中地基沉陷等作用，都会在节点中产生内力和变形。

对于常规节点，一榀平面框架按框架节点所在位置，节点主要有四种基本型式：顶层边柱节点（型）、顶层中柱节点（型）、中间层边柱节点（┣型）和中间层中柱节点（╋型）。对于非规则节点也称异型节点，其类型众多，从构成梁柱组合体格构件的截面变化及组合方式上可分为以下几种典型节点：梁柱偏心节点、宽扁梁柱节点、梁柱截面变化节点和错层节点等。

3 钢筋混凝土框架节点抗震性能研究现状

为了获得对节点区和接头区抗震性能的合理认识，近五、六十年来，不少地震多发国家，特别是新西兰、日本、美国和中国先后投入大量人力物力，对节点和接头区做了多方面的试验研究及理论分析。世界各国对节点受力性能开展的第一批试验研究大多是在二十世纪七十年代到八十年代进行的，试验研究对象多为不带现浇板的中间层中节点试件。这一时期重要学者有新西兰Paulay和Park教授、美国Hanson和Jirsa、日本的青山博之等，通过这个时期的研究，几个主要多地震国家分别在本国设计规范根据各自理解和设计传统制定了抗震框架设计条文。

进入新世纪后随着世界范围内大地震的不断频发，地震少发国家(主要为非抗震设防区)梁柱节点的抗震性能优劣也成为研究者关注的热点。与此同时，对于地震多发国家，除了开展少量改善节点区受力性能的试验研究外，国际学术界趋向于对已有试验结果进行统计分析，进一步对受力机理进行细化，提出以一定力学或数学理论为基础的分析模型，重点研究节点核心区的受剪分析模型问题。

在1986年以后，我国混凝土结构设计规范有关节点研究重点转向对规范中空缺的顶层节点性能的研究。2001年同济大学吕西林等完成了梁柱组合体滞回性能试验，主要研究节点性能对梁柱组合体滞回特性的影响，在国内率先分析了核心区剪切变形对梁柱组合体层间位移的贡献。常规钢筋混凝土框架节点从理论到设计计算的分析体系基本成型，近期钢筋混凝土节点的研究重点转向新结构体系或新材料节点的性能研究。

可见，在过去半个世纪的研究历程中，各国学者开展了大量节点试验和理论分析以研究框架节点的受力性能，虽然以这些研究为基础建立了设计规范，但终因节点受力的复杂性和材料非线性特征，使得迄今为止仍未能量化明确节点的受力机理，因此，亟待开展强震作用下钢筋混凝土框架节点受力性能研究。

4 框架节点破坏机理

4.1 节点破坏类型

根据震害和试验结果节点破坏类型可归纳以下四种：梁端受弯破坏、柱端压弯破坏、梁筋锚固破坏和核心区剪切破坏。第一种梁端破坏属于延性破坏，其余三种皆属脆性破坏，应设法避免。节点破坏的主要原因是混凝土缺少足够的约束、节点配筋不足、梁端锚固不当以及施工质量不良等引起的，要从强度计算和延性构造两个方面采取措施，以提高节点的抗震性能。

4.2 普通钢筋混凝土框架节点抗剪模型

钢筋混凝土构件合理、精确的抗剪分析一直是困扰各国学者的一个难题，作为基本构件之一的框架节点在压、弯、剪复合作用下，受力情况十分复杂，至今仍未能就节点核心区的传力机理形成有说服力的、公认的模型。对于普通混凝土结构，常用的节点破坏机理有以下几种：

(1)斜压杆机构。当核心区没有箍筋或者箍筋很少时，节点的承载力主要由核心区混凝土所控制。当通过节点核心区的梁柱纵筋屈服时，核心区的混凝土可能产生交叉裂缝但不至于使核心区的混凝土破坏。这时，节点核心区抗剪强度基本上由混凝土斜压杆控制。这种模式适用于梁或柱承载力较低而节点核心区未受到严重破坏的情况。

(2)桁架机构。由于节点核心区混凝土在剪力的作用下被分割成许多近似平行于对角线的窄条，只能借助于纵筋的粘结力和箍筋的约束分散压力，从而使受力前期的混凝土斜压杆作用逐渐转化为水平箍筋平衡斜压杆的水平分量，竖向钢筋平衡斜压杆的竖直分量；

(3)约束机构。约束机理也称“柱模型”或梁剪机理，认为可以把节点区看成是一段作用剪力较大的特殊的柱段，因此可以参照柱段的做法，只要使节点中的箍筋达到一定的用量，即约束作用达到一定的水准，就可以保障节点区的抗震性能。

(4)其它机理。组合块体模型也是常被建议的一种机理，该模型认为随着节点变形加大和荷载的增加，混凝土梁的主筋相继屈服。屈服后由于梁筋的伸长，斜裂缝沿对角缝向两边发展，在反复荷载的作用下，形成多条交叉裂缝，将核心区分割成若干混凝土块。另一种常被推荐的机理是剪摩机理。当核心区混凝土受剪发生破坏，箍筋屈服和通过核心区的纵筋尚未屈服且未发生粘结破坏时，沿节点核心区对角线的斜裂缝将核心区混凝土分割成两部分，与斜裂缝相交的箍筋受拉而屈服，两大块发生摩擦而抵抗各自所受的力。

到目前为止，就节点受力机理而言，斜压杆机理、桁架机理和约束机理已被各国学者专家广泛认同，其它机理大多是用于特定试验条件下特定试验结果的分析。

4.3 影响钢筋混凝土框架节点抗震性能的因素

从20世纪60年代Hanson首次开展节点性能研究以来，国内外开展了大量的试验研究和理论分析以探究节点的抗震性能。研究表明，影响梁柱节点抗震因素众多，概况起来可以分为以下五类：混凝土强度等级、节点几何尺寸、轴压力、配筋率和粘结性能。

4.3.1 混凝土强度等级

混凝土强度直接影响框架节点抗剪承载力，对于承受一定荷载的框架节点，混凝土强度越高，则梁、柱的截面尺寸越小，框架节点核芯区混凝土的承剪截面也相应减小，在一定配箍率下，对其抗震性能反而不利。在梁柱截面尺寸相近的情况下，随着混凝土抗压强度的提高，节点的抗震性能明显改善。因此，在影响节点抗震性能的众多因素中，混凝土强度等级是最重要的影响因素。

4.3.2 节点几何尺寸

节点几何尺寸这一影响因素具体可分为以下三种情况：节点类型；梁柱截面宽度比；梁柱截面高度比。一般情况下，若核心区混凝土强度等级和破坏模式相同，节点的抗剪强度按内节点、外节点、角节点次序依次降低，节点类型是影响节点抗震性能的重要因素。此外，节点的抗剪强度随着梁柱截面宽度比的增加而增大，大约在1.2处存在一上限值，梁柱截面高度比对节点抗震性能的影响趋势则恰好相反。

4.3.3 配筋率

梁柱节点配筋率这一影响因素具体可分为以下三个方面：核心区配筋率；框架梁配筋率；框架柱配筋率。众所周知，核心区采用封闭箍筋是提高梁柱节点抗剪强度较为有效的方法。但已有研究表明，核心区箍筋配箍率超过一定限值后，随着配箍率增加，核心区抗剪强度并未明显改善。

4.3.4 轴压力

试验研究表明，在一定范围内轴向压力可提高框架节点核芯区混凝土的抗剪承载力。由于柱轴向压力的作用，在框架节点核芯区混凝土开裂以前，柱截面受压区面积加大，斜压杆作用加强。当混凝土出现裂缝时，混凝土块体间产生咬合力。随着轴压比的增大，抗剪承载力相应增大，但当轴压比超过某一临界值时，框架节点受压区混凝土产生微裂缝，使混凝土压碎，抗剪承载力反而下降。

4.3.5 粘结性能

Morita等通过5个内节点试件的试验研究发现：在节点区柱筋粘结性能良好的情况下，梁筋平均粘结应力的降低将引发核心区剪切破坏；类似的，若节点区梁筋粘结性能足够良好，柱筋平均粘结应力的降低将引发核心区剪切破坏。因此，节点的受力性能与梁柱筋在核心区的粘结性能息息相关。

5 现行规范关于框架节点的抗震设计控制体系

目前世界上一些国家根据各自的试验研究成果提出了相应的抗震节点设计控制条件，但由于在节点传力机理上的差异，设计控制条件也存在一定的差异。根据各国抗震设计的设计思想和具体控制条件，可将其分为两大类。

第一类强调节点中所需的箍筋用量与节点作用剪力的大小有关，即需要根据节点的作用剪力通过抗剪公式计算节点的箍筋用量。它的控制体系主要由四个控制条件组成，即：(1)节点抗剪承载力计算公式；(2)节点最大作用剪力控制条件；(3)节点最小配箍量控制条件；(4)贯穿节点梁柱纵筋的直径限值条件。第二类控制体系则强调只需对节点中的最大剪压比进行控制，并按最小配箍量控制条件确定箍筋用量。

6 结论

(1)目前，对抗震框架梁柱节点的受力性能和其因素的影响规律有了更加深入广泛的认识，形成了许多设计方法，明确了可能进一步的研究内容及方向。

(2)根据现有设计规范，虽然在梁柱框架节点的研究上取得了一定的研究成果，但是至今仍未能就节点核心区的传力机理形成统一的模型。且对钢筋混凝土异型节点的研究处于起步阶段，还存在很多问题需要解决。

参考文献

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