2.3 節(jié)點內(nèi)梁筋滑移全過程分析

如何正確評定節(jié)點內(nèi)梁筋的粘結(jié)條件對節(jié)點傳力機制與抗震性能的影響一直是節(jié)點研究的重要方向。常規(guī)抗震設(shè)計目標(biāo)是確保在梁上出現(xiàn)塑性鉸，以避免柱塑性鉸引起的結(jié)構(gòu)整體倒塌。

2.3.1 影響梁筋粘結(jié)性能的主要因素

粘結(jié)性能是指鋼筋與混凝土的相互作用，是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中兩種材料共同工作的基礎(chǔ)。試驗資料表明，影響粘結(jié)性能的因素很多，除了與混凝土強度、保護(hù)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(guān)的因素外，還與梁筋相對長度、軸壓比和剪壓比等因素有關(guān)。

1.梁筋相對長度

影響粘結(jié)性能的一個重要參數(shù)是節(jié)點尺寸與鋼筋直徑的比值，各國規(guī)范對于貫穿節(jié)點核心區(qū)梁筋的粘結(jié)性能的控制準(zhǔn)則基本上都采用了梁筋相對長度h_c/d_b（或其倒數(shù)），美國ACI318—2005與中國GB 50011—2001規(guī)定其值應(yīng)不小于20，日本建筑法規(guī)（AIJ，1994）規(guī)定其與鋼筋屈服強度有關(guān)，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(jié)點梁筋配筋率外，還考慮了結(jié)構(gòu)延性等級系數(shù)，而新西蘭NZS3101—1995則進(jìn)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(jié)點的抗震性能，具體表現(xiàn)如下：能夠延緩梁筋的粘結(jié)退化，避免節(jié)點的傳力機制過早地由桁架機制轉(zhuǎn)為斜壓桿機制，延緩或避免節(jié)點核心區(qū)混凝土的壓潰破壞；能夠減小梁筋屈服后繼續(xù)向節(jié)點內(nèi)的屈服滲透和滑移，減輕節(jié)點核心區(qū)混凝土的損傷，提高節(jié)點的耗能能力；能夠延緩梁端塑性鉸區(qū)內(nèi)的梁筋由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為受拉，從而使得梁端混凝土受壓區(qū)高度保持不變，截面內(nèi)力臂不變，從而延緩樓層剪力的退化，使得節(jié)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(jié)點破壞形式從剪切破壞過渡到梁端屈服破壞，節(jié)點延性提高。

圖2.13 h_c/d_b對節(jié)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(xiàn)并延緩裂縫延伸，這些都有利于提高梁筋的粘結(jié)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(xiàn)梁端屈服的延性破壞形式，因此在改善梁筋粘結(jié)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(jié)強度。

3.剪壓比

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

圖2.14 h_c/d_b與軸壓比關(guān)系圖

圖2.15 h_c/d_b與剪壓比關(guān)系圖

2.3.2 梁筋粘結(jié)性能對節(jié)點受力的影響

1.梁筋粘結(jié)性能對節(jié)點傳力機制的影響

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

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

根據(jù)以上分析可知，梁筋粘結(jié)條件將決定梁筋傳入節(jié)點內(nèi)剪力的大小，影響節(jié)點受力全過程中斜壓桿機制與桁架機制所占比例。節(jié)點受力初期，梁筋粘結(jié)條件較好，粘結(jié)應(yīng)力與對角壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力構(gòu)成節(jié)點內(nèi)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(dān)一部分壓應(yīng)力，因此桁架機制要大于斜壓桿機制；節(jié)點受力增大，如果梁筋未屈服，粘結(jié)條件保持較好，節(jié)點出現(xiàn)交叉斜裂縫，若此時水平箍筋配置較少，節(jié)點發(fā)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(jìn)入屈服，粘結(jié)條件出現(xiàn)退化，桁架機制傳遞剪力的能力減弱；節(jié)點受力后期，梁筋粘結(jié)退化嚴(yán)重，最后只保持一定的殘余粘結(jié)應(yīng)力，桁架機制此時已經(jīng)不起主導(dǎo)作用，節(jié)點過渡為主要通過斜壓桿機制傳遞節(jié)點剪力。

2.梁筋粘結(jié)性能對節(jié)點抗震性能的影響

現(xiàn)代抗震理論強調(diào)，為了使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的抗震性能應(yīng)主要由次要構(gòu)件的較強非彈性變形能力來保障，即在保證結(jié)構(gòu)承載能力、剛度不發(fā)生退化的前提下，通過次要構(gòu)件穩(wěn)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(jié)構(gòu)，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(xiàn)在或靠近柱面的位置，使非彈性變形大多集中在框架節(jié)點附近，而較大的非彈性變形則會引起貫穿節(jié)點核心區(qū)梁筋明顯的粘結(jié)退化。大量鋼筋混凝土節(jié)點的抗震性能試驗表明：在地震作用力作用下，節(jié)點核心區(qū)內(nèi)由鋼筋與混凝土間的粘結(jié)退化引起的節(jié)點內(nèi)梁筋的粘結(jié)滑移會對構(gòu)件的彈塑性動力反應(yīng)特性產(chǎn)生影響，即梁端塑性變形與節(jié)點內(nèi)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(jié)構(gòu)局部抗震性能的變化。

貫穿節(jié)點核心區(qū)的梁筋屈服后發(fā)生較嚴(yán)重的粘結(jié)退化時，梁筋屈服區(qū)不斷向節(jié)點內(nèi)滲透，則節(jié)點內(nèi)梁筋有效錨固長度越來越小而粘結(jié)應(yīng)力越來越大，梁筋處于高應(yīng)變狀態(tài)，在節(jié)點內(nèi)發(fā)生較大的塑性變形與滑移，這種梁筋塑性拉伸與滑移導(dǎo)致梁端產(chǎn)生固端轉(zhuǎn)角而造成顯著的梁端位移，在兩側(cè)梁柱交界面上各出現(xiàn)一條較寬的垂直裂縫。由于梁筋屈服區(qū)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到節(jié)點內(nèi)，梁端變形增量主要集中在梁端固端轉(zhuǎn)動上，原塑性鉸區(qū)受拉鋼筋應(yīng)變基本上沒有增長，導(dǎo)致梁塑性鉸退化。雖然發(fā)生嚴(yán)重粘結(jié)退化的節(jié)點沒有出現(xiàn)核心區(qū)混凝土壓潰破壞，且在承載力未出現(xiàn)明顯降低的狀況下位移延性系數(shù)取得較大數(shù)值，但并不意味著節(jié)點抗震性能理想，這是由于貫穿節(jié)點核心區(qū)梁筋出現(xiàn)嚴(yán)重粘結(jié)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(fù)荷載作用下每次開始加載時梁筋在節(jié)點內(nèi)都要先完成這種滑入滑出的自由運動，使加載初期的節(jié)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(yán)重水平段越長，滯回環(huán)出現(xiàn)嚴(yán)重的捏縮，節(jié)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(tài)將關(guān)系到節(jié)點非線性階段的受力性能，不僅是因為貫穿節(jié)點核心區(qū)梁筋的粘結(jié)應(yīng)力的分布直接影響節(jié)點傳力機制，還由于梁筋的粘結(jié)退化會降低節(jié)點的耗能性能，而節(jié)點內(nèi)梁筋在地震往復(fù)荷載作用下通常處于非常不利的粘結(jié)條件。由于節(jié)點內(nèi)梁筋屈服變形與粘結(jié)滑移，會在梁柱交界面出現(xiàn)較寬垂直裂縫并引起固端轉(zhuǎn)動，它產(chǎn)生的梁端位移占整個節(jié)點變形的50%以上，導(dǎo)致節(jié)點耗能性能嚴(yán)重下降。為了防止在反復(fù)循環(huán)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(yán)格的控制，以減少柱面處混凝土的破壞和梁筋對節(jié)點核心區(qū)域的屈服滲透，改善梁筋在節(jié)點內(nèi)的粘結(jié)性能，較好地保持節(jié)點的強度。