框架结构变梁异型节点核芯区钢筋应力分析

侯晋祯

(山西中方森特建筑工程设计研究院，山西太原 030002)

1 概述

在现实生活中，诸多框架结构当中有一类节点广泛存在，即变梁异型节点，此类节点因连接柱两侧的梁截面高差较大，导致核芯区两侧受力差异较大。GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)指出，当柱两侧梁有高差时，计算节点核芯区受剪时，取两侧梁高的平均值进行计算，但根据历次强震后的实际调查结果表明，此类节点其受力特性明显不同于常规节点，依据规范计算的结果有待进一步研究，因此研究节点区在剪切变形下的抗剪承载力具有较大的理论意义和实用价值。

2 工程实例

本文对钢筋混凝土框架结构中的梁柱节点单独进行研究，研究时为保证节点在梁、柱铰未出现时，节点核芯区已开裂并伴随裂缝发展，故将此节点设计为“强构件弱节点”的形式。

取框架柱截面为500 mm×500 mm，一侧框架梁截面为300 mm×700 mm，另一侧框架梁截面:200 mm×400 mm(见图1)，200 mm ×500 mm(见图 2)，200 mm ×600 mm(见图 3)，钢筋大样详见图4，各模型参数中梁配筋上下各420，箍筋采用10@100(2)，柱采用对称配筋，梁柱交接处柱箍筋采用10@100(2)，混凝土强度等级为C30。此次分析，采用ANSYS软件的有限元功能进行分析(计算模型中网格划分尺寸取为100 mm)。

图1 小梁高200 mm×400 mm

图2 小梁高200 mm×500 mm

图3 小梁高200 mm×600 mm

图4 钢筋大样图

3 计算模型单元建立

3.1 模型加载方案

梁端部在遭遇反复地震作用下，承受的作用力也较大(主要表现为剪力较大)。如图5所示，位置1(柱上下端)为柱反弯点处位置，柱两侧梁长度取为地震作用下框架梁箍筋加密区长度。其加载示意如图5所示。

图5 异型节点正反对称加载试验示意图

在模拟试验加载过程中，给柱施加一个集中力，以此来模拟地震作用下柱轴压力(此轴压力为某一轴压比下换算后的轴压力)，之后对梁两端施加反对称荷载，直至框架梁两侧上下层纵筋基本同时达到屈服。

3.2 模型加载边界条件

在软件中，为得到更准确的分析结果，需将模型做如下处理:

1)将柱底部所有节点处施加约束，使其实现真正意义上的刚接。将柱顶部所有节点施加两个水平方向的约束，使其只在竖向可以发生位移。

2)直接加载可能使受压的混凝土出现局部压应力过于集中的现象，为避免此现象发生，需在模型各端部设置刚性垫块，此垫块尺寸与梁柱截面完全相同。

4 计算分析

4.1 核芯区划分

节点核芯区采用如图6划分，其中阴影部分为小核芯区，ABEF围成的区域为大核芯区。

4.2 大小梁截面高差对节点核芯区钢筋应力的影响

从图7～图10分析过程可以得出，在反复地震作用下，此类节点核芯区出现明显的剪切破坏，核芯区内钢筋应力分布较为复杂。

4.3 各模型下钢筋应力结果对比

从图7～图10分析得出，随着加载值的不断加大，梁左侧(大梁)上部受拉钢筋与梁右侧(小梁)上部受压钢筋应力值逐渐加大，但均未达到钢筋的屈服强度，其主要原因是柱采用对称配筋的结果。而且还可以得出，节点核芯区内箍筋及纵筋的应力分布极不均匀，靠近小核芯区的中部，箍筋的应力值达到最大，而梁纵筋锚入柱内的平直段应力值并不大，说明节点加载至破坏时，未出现明显的粘结滑移现象。梁内靠近节点区附近的箍筋，应力分布也不均匀，表明在靠近节点区的梁端，已出现梁端塑性铰。

图6 节点核芯区划分示意图

图7 反对称荷载下小梁200×400的钢筋应力分布图

图8 反对称荷载下小梁200×600的钢筋应力分布图

图9 正对称荷载下小梁200×400的钢筋应力分布图

图10 正对称荷载下小梁200×600的钢筋应力分布图

5 结语

钢筋混凝土变梁异型节点，当梁端加载至节点破坏时，节点核芯区内的钢筋应力分布极不均匀，节点核芯区内的柱纵向钢筋以及箍筋应力值均较大，表明节点核芯区破坏后，竖向钢筋与水平箍筋一样，也起到一定作用，只是这种破坏模式已转变为桁架机理破坏，而且随着梁高差的不断增大，这种作用表现的也越为明显。