2.3 節點內梁筋滑移全過程分析

如何正確評定節點內梁筋的粘結條件對節點傳力機制與抗震性能的影響一直是節點研究的重要方向。常規抗震設計目標是確保在梁上出現塑性鉸，以避免柱塑性鉸引起的結構整體倒塌。

2.3.1 影響梁筋粘結性能的主要因素

粘結性能是指鋼筋與混凝土的相互作用，是鋼筋混凝土結構中兩種材料共同工作的基礎。試驗資料表明，影響粘結性能的因素很多，除了與混凝土強度、保護層厚度、鋼筋外形、直徑、錨固長度、配筋率等混凝土和鋼筋材料有關的因素外，還與梁筋相對長度、軸壓比和剪壓比等因素有關。

1.梁筋相對長度

影響粘結性能的一個重要參數是節點尺寸與鋼筋直徑的比值，各國規范對于貫穿節點核心區梁筋的粘結性能的控制準則基本上都采用了梁筋相對長度h_c/d_b（或其倒數），美國ACI318—2005與中國GB 50011—2001規定其值應不小于20，日本建筑法規（AIJ，1994）規定其與鋼筋屈服強度有關，歐共體EC8-2003考慮的因素較多，除了混凝土抗拉強度平均值、鋼筋屈服強度和貫穿節點梁筋配筋率外，還考慮了結構延性等級系數，而新西蘭NZS3101—1995則進一步增加了柱軸壓力的影響。

增大梁筋相對長度可以改善節點的抗震性能，具體表現如下：能夠延緩梁筋的粘結退化，避免節點的傳力機制過早地由桁架機制轉為斜壓桿機制，延緩或避免節點核心區混凝土的壓潰破壞；能夠減小梁筋屈服后繼續向節點內的屈服滲透和滑移，減輕節點核心區混凝土的損傷，提高節點的耗能能力；能夠延緩梁端塑性鉸區內的梁筋由受壓狀態轉為受拉，從而使得梁端混凝土受壓區高度保持不變，截面內力臂不變，從而延緩樓層剪力的退化，使得節點的再加載剛度的退化減慢。由圖2.13可以看出，隨著梁筋相對長度增大，節點破壞形式從剪切破壞過渡到梁端屈服破壞，節點延性提高。

圖2.13 h_c/d_b對節點強度的影響

2.軸壓比

在軸向壓力作用下，鋼筋與混凝土之間的摩阻力與咬合力將增加，同時還可以抑制裂縫出現并延緩裂縫延伸，這些都有利于提高梁筋的粘結性能。從圖2.14可以看出，在高軸壓比小梁筋相對長度和低軸壓比大梁筋相對長度下都可以實現梁端屈服的延性破壞形式，因此在改善梁筋粘結性能的時候可以參考軸壓力帶來的有利影響，在靠近柱面一定距離的梁上下表面施加壓力，提高粘結強度。

3.剪壓比

剪壓比越大節點剪力越大，由桁架機制與斜壓桿機制產生的斜拉應力和斜壓應力也越大，當梁筋粘結性能較差時，桁架機制退化，斜壓桿機制增強，但桁架機制退化引起的壓應力減小部分小于斜壓桿增強產生的壓應力增大部分，因此節點內斜壓應力增加并最終導致節點核心區混凝土壓潰。由此可以得出，高剪壓比節點需要較大的梁筋相對長度來維持節點內梁筋的粘結性能，抑制桁架機制的退化，減緩斜壓應力的增加。由圖2.15可以看出，隨著梁筋相對長度的增大，節點破壞形式逐漸由梁端屈服后節點剪切破壞過渡到梁端屈服破壞，延性進一步增加。

圖2.14 h_c/d_b與軸壓比關系圖

圖2.15 h_c/d_b與剪壓比關系圖

2.3.2 梁筋粘結性能對節點受力的影響

1.梁筋粘結性能對節點傳力機制的影響

節點組合體在往復荷載作用下，貫穿節點核心區的梁筋處于一端受拉、另一端受壓的受力狀態，則節點內梁筋周圍與混凝土之間分布有粘結應力，這些粘結應力一部分將傳入柱端，平衡柱端剪力，另一部分則傳入節點內，成為節點水平剪力，因此節點內梁筋的粘結情況將影響節點的受力性能。

加載之初，梁筋應力遠小于屈服應力，節點基本處于彈性狀態，變形很小，節點內粘結應力呈均勻分布；隨著荷載增大，梁筋拉應力增加明顯，而壓應力增加緩慢，這是因為混凝土受拉開裂后受拉區（端）拉應力全部由梁筋承擔，而受壓區（端）混凝土仍能有效地承擔壓應力，貫穿節點的鋼筋拉壓應力差明顯加大，此時，粘結應力分布基本不變但應力值增大；繼續施加荷載，梁筋應力不斷增加并進入屈服階段，粘結應力均勻分布的狀態開始發生變化；隨后梁筋進入全面屈服階段，屈服段梁筋的粘結應力由于發生塑性變形逐漸減小，出現粘結退化現象；之后梁筋屈服區不斷向節點內滲透，梁筋有效錨固長度越來越小，粘結應力越來越大，節點已達臨界狀態；最后，梁筋發生貫穿核心區的“拉風箱”式的滑移，梁端基本上喪失抗彎能力，節點延性大大降低。

根據以上分析可知，梁筋粘結條件將決定梁筋傳入節點內剪力的大小，影響節點受力全過程中斜壓桿機制與桁架機制所占比例。節點受力初期，梁筋粘結條件較好，粘結應力與對角壓區混凝土壓應力構成節點內剪力，桁架機制與斜壓桿機制同時傳遞剪力，但受壓鋼筋要分擔一部分壓應力，因此桁架機制要大于斜壓桿機制；節點受力增大，如果梁筋未屈服，粘結條件保持較好，節點出現交叉斜裂縫，若此時水平箍筋配置較少，節點發生斜拉型剪切破壞，在此過程中桁架機制與斜壓桿機制同步增強，但桁架機制仍強于斜壓桿機制，如果梁筋進入屈服，粘結條件出現退化，桁架機制傳遞剪力的能力減弱；節點受力后期，梁筋粘結退化嚴重，最后只保持一定的殘余粘結應力，桁架機制此時已經不起主導作用，節點過渡為主要通過斜壓桿機制傳遞節點剪力。

2.梁筋粘結性能對節點抗震性能的影響

現代抗震理論強調，為了使鋼筋混凝土結構具有良好的抗震性能，在地震作用下保持足夠的強度與變形能力，要求結構的抗震性能應主要由次要構件的較強非彈性變形能力來保障，即在保證結構承載能力、剛度不發生退化的前提下，通過次要構件穩定的滯回變形性能耗散地震輸入的能量。對于鋼筋混凝土框架結構，梁塑性鉸機制已證明可以很好地滿足抗震要求，但是在梁塑性鉸耗能機制中，梁塑性鉸一般出現在或靠近柱面的位置，使非彈性變形大多集中在框架節點附近，而較大的非彈性變形則會引起貫穿節點核心區梁筋明顯的粘結退化。大量鋼筋混凝土節點的抗震性能試驗表明：在地震作用力作用下，節點核心區內由鋼筋與混凝土間的粘結退化引起的節點內梁筋的粘結滑移會對構件的彈塑性動力反應特性產生影響，即梁端塑性變形與節點內梁筋滑移這兩種位置靠近的非彈性變形可能相互影響，并在一定程度上引起結構局部抗震性能的變化。

貫穿節點核心區的梁筋屈服后發生較嚴重的粘結退化時，梁筋屈服區不斷向節點內滲透，則節點內梁筋有效錨固長度越來越小而粘結應力越來越大，梁筋處于高應變狀態，在節點內發生較大的塑性變形與滑移，這種梁筋塑性拉伸與滑移導致梁端產生固端轉角而造成顯著的梁端位移，在兩側梁柱交界面上各出現一條較寬的垂直裂縫。由于梁筋屈服區已經轉移到節點內，梁端變形增量主要集中在梁端固端轉動上，原塑性鉸區受拉鋼筋應變基本上沒有增長，導致梁塑性鉸退化。雖然發生嚴重粘結退化的節點沒有出現核心區混凝土壓潰破壞，且在承載力未出現明顯降低的狀況下位移延性系數取得較大數值，但并不意味著節點抗震性能理想，這是由于貫穿節點核心區梁筋出現嚴重粘結退化后層間剪力減小、層間變形增大，梁筋受拉段滑出、受壓段滑入，在反復荷載作用下每次開始加載時梁筋在節點內都要先完成這種滑入滑出的自由運動，使加載初期的節點剛度幾乎為零，在滯回曲線上反映為一水平段，梁筋滑移越嚴重水平段越長，滯回環出現嚴重的捏縮，節點延性降低，耗能性能變差。

鋼筋與混凝土之間的相互作用狀態將關系到節點非線性階段的受力性能，不僅是因為貫穿節點核心區梁筋的粘結應力的分布直接影響節點傳力機制，還由于梁筋的粘結退化會降低節點的耗能性能，而節點內梁筋在地震往復荷載作用下通常處于非常不利的粘結條件。由于節點內梁筋屈服變形與粘結滑移，會在梁柱交界面出現較寬垂直裂縫并引起固端轉動，它產生的梁端位移占整個節點變形的50%以上，導致節點耗能性能嚴重下降。為了防止在反復循環荷載作用下形成過大的層間位移，梁柱交界面裂縫必須得到嚴格的控制，以減少柱面處混凝土的破壞和梁筋對節點核心區域的屈服滲透，改善梁筋在節點內的粘結性能，較好地保持節點的強度。