2.1 鋼筋混凝土框架節點力學模型回顧

2.1.1 節點受力機理

由于節點受力及構造極為復雜，節點的受力機理受多種因素的影響。包括混凝土強度、鋼材的屈服強度、節點內的配箍構造以及梁柱主筋的錨固狀況等。結合試驗觀察與理論分析，目前較流行的有以下幾種受力機理：

1.斜壓桿機理

該機理最早由R.Park and T.Paulay（1974）提出，他們認為由混凝土承受的所有壓力可以通過一個橫穿節點的、較寬的單個斜壓桿以相互平衡的方式結合起來，即當抗彎鋼筋發生屈服時，梁、柱截面內的剪力分別經由梁、柱混凝土的受壓區傳入節點核心區，于是梁、柱端受壓區混凝土的壓力和截面剪力與斜壓桿壓力可以達到受力平衡，此時節點核心區的抗剪強度主要由核心區混凝土所控制，而無須借助于任何鋼筋。由此可以看出，斜壓桿受力機理適用于節點核心區箍筋較少或沒有配箍、梁或柱承載能力較低而節點核心區未受到嚴重損壞的情況，其作用機理如圖2.1所示。

圖2.1 斜壓桿機理

2.桁架機理

R.Park and T.Paulay（1974）假定貫穿節點的梁筋與柱筋與周圍混凝土之間作用為大小均勻的粘結應力，并以“剪力流”的形式傳入節點，則貫穿節點的鋼筋處于一端受壓而另一端受拉的狀態。如果要維持這一受力狀態，在節點斷面上的剪力被分解成平行于剪力裂縫的斜壓力和一個垂直或水平拉力，這時斜壓力可以由形成于斜裂縫之間的混凝土拉壓桿來提供，而在粘結力傳入之處的拉力則需要一個鋼筋網或者可靠錨固的水平和垂直鋼筋來承受，以組成平衡體系，形成桁架機理，此時節點核心區的抗剪強度將受混凝土、柱軸向力、水平箍筋和垂直鋼筋控制。因此，桁架機理適用于核心區既配水平箍筋又配較密的垂直鋼筋的情況，其作用機理如圖2.2所示。

圖2.2 桁架機理

3.剪摩擦機理

節點在反復荷載作用下，當梁筋尚未屈服且粘結性能保持完好時，節點核心區會在較大剪力作用下沿對角線出現較寬的臨界裂縫，將核心區分成兩塊，產生滑動摩擦，形成剪摩擦受力機理，此時與裂縫相交的水平箍筋受拉屈服，節點核心區的抗剪能力由穿過裂縫的箍筋受拉和裂縫兩側混凝土的摩擦組成。節點在該機理作用下會發生典型的剪切破壞，其作用機理如圖2.3所示。

圖2.3 剪摩擦機理

4.組合塊體機理

形成桁架模型后，隨著荷載繼續反復施加，節點核心區兩邊的梁縱筋進入屈服強化階段，此時核心區剪力一部分通過梁縱筋與混凝土之間的剩余粘結力傳遞，一部分通過梁與核心區交界面裂縫閉合后的混凝土局部擠壓來傳遞。由于箍筋屈服所引起的鋼筋伸長，混凝土沿裂縫相互錯動，使斜裂縫不能完全閉合，核心區混凝土被多條交叉斜裂縫分割成若干菱形塊體，在橫向箍筋和縱向柱筋（和軸壓力）的共同約束下，形成組合塊體模型，核心區受力進入破壞階段。

5.約束機理

該機理是在J.K.Wight教授主持下美國ACI 352委員會主張的“約束模型”，或稱“柱模型”，即認為節點區只是柱體的一部分，但比其他部分受到較大作用的剪力，因此，節點核心區的抗剪強度可以參照柱截面的設計方法，只需使節點中的箍筋達到一定用量，就可以滿足節點的抗震性能。ACI 318-05規定節點的抗剪強度只與混凝土的抗壓強度有關，而與抗剪鋼筋的數量無關，建議布置少量的箍筋以滿足“約束作用”即可。

雖然以上幾種節點受力機理已經得到試驗驗證，但大部分試驗都是在預期結果的驅使下進行設計的，因此無法全面反映節點的主要受力規律。近期的研究表明，節點在整個受力過程中同時承受多種受力機理作用，隨著混凝土、梁柱縱筋及節點內箍筋應力的變化，各種受力機理的在整個節點中所占比例也在不斷變化；同時還發現，貫穿節點核心區的梁柱縱向鋼筋（特別是梁筋）在反復荷載作用下的粘結退化和節點核心區配置的箍筋對核心區混凝土可能發揮的約束作用是影響節點傳力機構和受力模型的兩個不容忽視的因素，但上面分析的受力機理顯然未對這兩個因素加以考慮。如果在此基礎上僅針對某一種機理下的節點存在的問題進行加固處理，雖然能使加固節點的抗震性能得到改善，但其應用范圍會有很大限制。因此，我們只有在對節點主要影響因素及其可能存在的破壞形式詳細了解的基礎上，才能得到滿足延性節點要求的加固方法。

2.1.2 節點受力全過程分析

眾所周知，在外荷載作用下，節點周圍受到各種作用力，但是這些作用力在節點核心區內傳力路徑如何，遵循什么樣的機制，會產生什么樣的結果，出現什么樣的破壞形式等，這些問題綜合組成節點的受力機理。因此，通過對這些問題的討論以期給出合理的節點受力與計算模型，這就需要對節點核心區受力全過程進行詳細的了解。從另一個角度來說，充分了解節點受力全過程可以幫助我們得出節點核心區內各組成部分參與工作的狀態，明確加固重點，確保加固材料與既有材料協調工作，實現節點抗震加固目標。

圖2.4 節點核心區受力圖

圖2.4為一個常見的中節點在地震作用下的受力情況，豎直方向受到柱傳來的軸向力、彎矩和剪力，水平方向受到梁傳來的彎矩和剪力，梁柱端彎矩可以轉化為鋼筋拉力與受壓區鋼筋和混凝土壓力所組成的力偶，鋼筋的拉力和壓力通過粘結應力傳到核心區的混凝土上。

當梁柱受力較小時，節點處于“彈性”狀態，受力鋼筋尚未屈服，核心區混凝土未出現裂縫，梁柱筋與混凝土之間保持較好的粘結作用，這樣，節點核心區兩個對角受到垂直和水平方向的壓力，另兩個對角受到兩個方向的拉力，即核心區受到了一個斜向壓力和正交的斜向拉力作用，此時核心區內箍筋由于混凝土保持完好基本未發揮作用，核心區受到的剪力作用主要由混凝土承受，主要表現為混凝土斜壓桿機制。

隨著作用力逐漸增大，節點核心區斜向拉力超過混凝土抗拉強度，斜向裂縫出現，裂縫處的箍筋應力突然增大，在荷載反向時，另一個方向也產生斜裂縫，從而形成交叉斜裂縫。隨著荷載繼續反復施加，核心區出現多條斜裂縫，箍筋應力不斷增大，這時核心區內剪力由混凝土與箍筋共同承擔，箍筋為水平拉桿、柱縱筋為豎向拉桿、斜裂縫間的混凝土為斜向壓桿的桁架機制形成，并與斜壓桿機制共同工作。

繼續增加荷載，核心區兩側的梁筋進入屈服階段，此時節點核心區作用的剪力已接近最大，貫穿節點的梁筋逐漸出現粘結退化現象并發生滑移，梁筋屈服區將向節點內轉移。同時，核心區混凝土被斜裂縫分割成若干菱形塊體，裂縫間的箍筋也已屈服并出現塑性伸長，斜裂縫不斷加寬，混凝土沿裂縫發生相對錯動，導致裂縫在反向加載時不能完全閉合，出現組合體機制與剪摩擦機制，核心區受力進入破壞階段。此時，作用在核心區的剪力一部分通過梁筋剩余粘結力傳遞，另一部分則通過梁與核心區交界面裂縫閉合后的混凝土局部擠壓來傳遞，由受壓裂縫上組合塊體間的骨料咬合作用來承擔斜向壓力，箍筋與柱筋承受斜向拉力。

最后，節點剛度不斷下降，變形增大，混凝土不斷剝落，節點核心區承載力開始下降，節點破壞。

通過以上分析可知節點核心區受力特點：①核心區剪力作用主要來自梁柱筋與混凝土之間的粘結應力輸入和角部受壓混凝土的壓力輸入，節點核心區在這些力的反復作用下發生破壞；②靠近核心區交界面的梁端由于受到作用力較大，一般早于其他部位出現裂縫，特別是梁筋屈服后會產生塑性伸長，導致裂縫不斷加寬，使梁端的屈服變形集中體現在這一裂縫上，而非梁端塑性鉸的彎曲變形，從而發生梁脫離柱體的界面連接破壞，梁端失去對節點核心區的控制，這也是目前現有加固方法忽視的地方；③節點核心區在受力后期，梁筋進入屈服階段并與混凝土之間發生粘結失效，貫穿核心區的梁筋在反復荷載作用下會交替向節點兩側滑出，那么梁筋在反向加載時首先要在節點內完成自由滑動，導致加載初期節點剛度基本為零；同時，隨著梁筋的粘結退化，粘結應力逐步降低，通過梁筋與混凝土之間粘結應力輸入節點的剪力也相應逐步減小，從而使節點核心區桁架機制退化，節點核心區混凝土的壓力加快增長，導致核心區混凝土過早壓碎，發生破壞。

傳統的加固方法采用在節點區增加加固材料（如核心區外貼CFRP、粘鋼等）來抵御輸入作用力屬于被動加固法，這些方法往往由于直交梁的存在難于實施、加固材料的端部錨固困難等因素無法達到加固目標。因此，鑒于節點核心區的受力特點，我們可以采用減小核心區作用力輸入的方法進行加固，即在梁柱端布置加固材料，經可靠錨固后與梁柱截面協同工作分擔梁柱縱筋、減小角部混凝土受到的作用力，同時保證梁柱端加固材料之間可靠連接，以保護梁柱界面連接，避免發生強柱-強梁-弱連接的破壞形式；而且梁柱表面的加固材料可以很好地保護加固段混凝土免于破壞，并增加貫穿節點核心區梁縱筋的錨固長度，使粘結性能得到保證。