2.2 影響節點抗剪強度的因素

在過去近半個世紀的時間里許多國家進行了大量的鋼筋混凝土框架節點的試驗研究，目的是分析影響節點受力性能的各種因素，包括混凝土強度、軸壓比、節點配箍率、貫穿節點核心區梁筋粘結性能、樓板和直交梁等參數，取得的成果不斷促進了各國規范與設計方法的改進。因此，詳細了解影響節點抗剪強度的因素不僅可以進一步了解節點受力機制，還有利于在節點的抗震加固中分清主次，以取得良好的效果。為了更加形象化地分析這些影響因素，本節將對國內外208個中節點、101個邊節點和38個空間節點試驗數據進行對比分析，試驗試件詳細信息見附錄。

2.2.1 混凝土強度

由圖2.5可以看出，隨著混凝土強度提高節點抗剪強度隨之提高，這與節點受力過程中在節點核心區形成的斜壓桿有關，同時混凝土強度提高還可以增強與鋼筋之間的粘結作用。從圖中可以發現當混凝土強度f_c﹤40MPa時，無論是中節點還是邊節點多發生節點剪切破壞，然而隨著核心區相對配箍率的增大，箍筋對核心區混凝土形成有效的約束同時并承擔核心區開裂后的拉應力，破壞逐漸向梁端轉移，因此當混凝土強度較低時，適當增加配箍量可以避免發生剪切破壞（圖2.6）。但是當配箍量較少時，一味提高混凝土強度并不能達到相同的效果，因為雖然混凝土強度提高時其抗拉強度也會相應提高，但是與鋼筋抗拉能力仍相距甚遠，節點依舊發生斜拉型剪切破壞。但是對于強度較低的邊節點，單純增加配箍量同樣不能避免其發生剪切破壞，這是因為隨著箍筋配置量增加，節點雖然也能形成斜壓桿機制和桁架機制，不過隨著循環受力增大，節點交替剪切變形也隨之增長，箍筋屈服，核心區混凝土最終斜向壓潰，發生斜壓型剪切破壞。因此，對于邊節點要求混凝土強度與配箍量都較為適當的時候方能避免節點剪切破壞。鑒于早期既有框架節點混凝土強度與配箍量都相對較低的現狀，怎樣通過合理的加固方法避免其發生剪切破壞是實現節點延性抗震加固的一個重要前提。

圖2.5 混凝土強度對節點強度的影響

圖2.6 混凝土強度與配箍特征值關系

2.2.2 軸壓比

柱組合的軸壓力設計值與柱的全截面面積和混凝土抗壓強度設計值乘積的比值稱為柱軸壓比，它反映了框架柱傳入節點軸壓力的大小。早期的研究表明，柱軸壓比改變對節點受力性能影響甚微（Uzumeri，1977），但隨著研究的深入，一些學者提出增大軸壓比不僅能改變節點的破壞形式，還可以通過改善貫穿節點核心區梁筋粘結性能以及影響斜壓桿壓應力大小對節點受力產生影響。由圖2.7可以發現，軸壓比改變對幾種破壞形式的節點產生的影響不盡相同，對于發生剪切破壞的節點，軸壓比增大可以延遲節點區交叉斜裂縫的出現并減緩斜裂縫開展速度，這些都有利于節點抗剪能力的發揮，但是當軸壓比過大時，斜壓桿機制中的壓應力相應增大，這會加速其發生斜壓破壞，因此適當增加軸壓比可以提高節點剪切強度；對于梁筋屈服后發生剪切破壞的節點，軸壓比增加可以推遲貫穿核心區梁筋的粘結失效，但當梁端縱筋屈服后變形達到一定程度，梁筋仍會發生粘結退化，隨后，較大的軸壓力會進一步增加斜壓桿壓力，產生不利影響；對于發生梁筋屈服破壞和粘結滑移破壞的節點，軸壓比增加在受力初期仍可以改善鋼筋粘結性能，但是梁筋發生屈服或粘結失效時節點所受的剪力較小，增大軸壓比柱帶來的斜壓桿壓力雖不致節點受壓破壞，但影響也較小。因此，適當的軸壓比可以提高節點的抗剪能力，但是當節點發生剪切破壞時，增大軸壓比反而使節點性能惡化。

圖2.7 軸壓比對節點強度的影響

2.2.3 配箍特征值

在節點核心區配置箍筋可以實現兩個功能：一是約束節點核心區混凝土，提高這部分混凝土的抗壓強度；二是承擔核心區混凝土開裂后節點剪力的水平拉力分量，提高節點抗剪強度。由圖2.8可以看出，節點剪切強度在較小配箍特征值的時候既已取得較大數值，但配箍特征值超過一定值后如果繼續增大節點剪切強度卻出現降低的趨勢。當節點核心區混凝土由桁架機制產生的拉應力超過其抗拉強度而開裂后，裂縫處的箍筋承擔了較大的拉應力，若剪力保持不變，則箍筋越多拉應力越小，交叉裂縫開展越緩慢且寬度越小，因此，此時增加箍筋數量不僅可以提高節點抗剪強度，還能避免因箍筋早于梁端受拉梁筋屈服而發生斜拉型剪切破壞；但是，當箍筋數量過多時，節點中由桁架機制產生的箍筋拉力未達到屈服強度前，核心區混凝土即由于斜壓桿機制與桁架機制引起的斜向壓力過大而被壓潰，發生斜壓型剪切破壞，節點箍筋未能充分發揮作用，節點核心區抗剪強度達不到設計值，節點偏于不安全。因此，對于核心區內配置較弱箍筋或箍筋間距較大的節點，需要采取約束節點變形的加固方法來限制核心區裂縫的發展；同樣，對于節點箍筋配置過高的節點，也要選擇適當的加固方法防止節點核心區混凝土發生斜壓型剪切破壞。

圖2.8 配箍特征值對節點強度的影響

2.2.4 梁筋粘結指數

貫穿節點核心區的梁筋的粘結狀況對節點剛度、延性以及耗能性能都有顯著的影響，當梁筋發生粘結失效時往往會引起梁端繞梁柱交界面固端轉動，試驗結果表明，這種固端轉動一般會超過節點組合體變形的一半以上，導致節點的抗震性能顯著降低。梁筋粘結指數μ反映了梁筋在節點內的最大粘結應力，由公式計算得到。由圖2.9可以看出，在梁筋粘結指數較小時破壞多為梁端破壞或梁端先行破壞的節點剪切破壞，這是由于此時梁筋在節點內的粘結應力較小，輸入到節點的剪力較少，桁架機制作用微弱，當梁筋屈服后發生粘結失效并不斷向節點內滲透，節點基本上完全服從斜壓桿機制，此時如果不發生節點剪切破壞，節點剪切強度并未得到完全發揮。當粘結指數增大，梁端抗彎能力也相應增強，通過粘結應力輸入到節點的剪力增大，桁架機制與斜壓桿機制同時發揮作用，節點受到較大作用同時發生較大的剪切變形，節點最終發生剪切破壞。由此可以發現，雖然發生梁筋粘結失效時，梁壓力是通過受壓區混凝土輸入節點而非梁受壓鋼筋粘結應力，于是對角壓桿承擔的剪力增加，而通過粘結應力傳遞的對角拉應力減小，節點核心區處于較佳的受力狀態，從而使其剪切強度得到提高，但是嚴重的粘結滑移會引起梁端脫離梁柱交界面的固端轉動而非梁塑性鉸彎曲變形，梁塑性鉸退化，梁端失去對節點核心區的約束，框架結構的剛度與耗能性能降低。因此，必須采取有效的加固方法限制梁筋的粘結滑移，并同時盡量減少梁筋通過粘結應力對節點核心區拉應力的輸入。

圖2.9 粘結指數對節點強度的影響

2.2.5 剪壓比

剪壓比表示節點截面上的名義剪應力V_jh/b_jh_j與混凝土軸心抗壓強度f_c的比值。我國現行規范規定，鋼筋混凝土結構的梁、柱、抗震墻和連梁，其截面組合的剪力設計值應不大于0.2f_c，如圖2.10所示，發生梁端屈服或梁端屈服后節點發生剪切破壞的兩類節點基本上都分布在這一區域。當剪壓比較小時，梁截面縱筋配置數量往往不多，通過梁筋粘結應力傳入節點核心區的剪力也較小，縱使節點內配置的箍筋不多，梁端也會早于節點發生破壞；隨著剪壓比增大，梁筋輸入節點內的剪力也隨之增加，節點就會在桁架機制與斜壓桿機制的共同作用下出現交叉裂縫，如果節點配置了適當的箍筋，節點不會過早發生剪切破壞；但當剪壓比過大時，由于梁筋數量較多，梁端在反復荷載作用下不會發生破壞，梁筋粘結性能得到較好的保持，節點在剪力作用下出現較大剪切變形，此時再增加箍筋用量，也不能阻止節點發生斜壓型剪切破壞。因此，在選取節點加固方法的時候應預先驗算其剪壓比，對于較大剪壓比的節點不能一味采取增加箍筋數量的方法。

圖2.10 剪壓比對節點強度的影響

2.2.6 柱縱向鋼筋

地震災害表明，如果框架結構在地震過程中發生柱端破壞，則會導致結構整體倒塌，因此各國規范都選取比較理想的梁端塑性鉸的破壞方式，規定柱端彎矩應為梁端彎矩乘以柱端彎矩增大系數。柱筋與梁筋情況類似，靠與混凝土之間的粘結應力傳遞剪力，由于采取強柱弱梁設計原則和受到較大的軸向力作用，柱筋滑移情況不如梁筋明顯。由圖2.11可以看出，隨著配筋率的增大，節點剪切強度有增大趨勢，這是因為柱筋在節點核心區與節點區箍筋一起可以形成對核心混凝土的雙向約束作用，提高混凝土的抗壓強度，但是如果柱筋配筋率較高，而節點內箍筋數量較少，此時節點容易發生斜拉型剪切破壞，使柱筋無從發揮對核心混凝土的約束作用。因此，在節點加固過程中應注意驗算加固后梁端與柱端彎矩的比值，防止加固后節點出現強梁弱柱的情況。

2.2.7 直交梁與樓板

實際工程中，框架梁往往是和直交梁與樓板一起工作的，但是由于試驗條件的限制，一般僅進行平面節點或者簡化空間節點的研究，雖然這與實際情況不符，但也能從中取得一些初步的認識，直交梁和樓板可以增加節點的抗剪面積并對核心區混凝土形成有效的約束，提高節點的抗剪強度與剛度，減小剪切變形；同時樓板與框架梁共同承擔梁端作用，減小梁縱筋應力，節點核心區水平剪力隨之減小。覆蓋率為直交梁寬度b_bt與柱截面高度h_c的比值，是評價直交梁性能的一個指標，由圖2.12可以看出，隨著節點覆蓋率的增大，節點剪力提高，說明直交梁對節點形成有效的約束，但是當覆蓋率較小時這種效果則不明顯。因此，在節點的加固過程中要充分考慮直交梁與樓板對加固實施的影響，并且盡量減少對樓板的破損，采用簡單易行的方法。

圖2.11 柱縱向鋼筋配筋率對節點強度的影響

圖2.12 直交梁對節點強度的影響