钢筋混凝土框架变梁异型节点的有限元分析

田叶军

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

0 引言

在实际工程中，钢筋混凝土框架变梁异型节点始终存在于各类建筑结构当中，此节点显著特点是连接柱两侧的梁截面高差较大。事实证明，汶川地震发生后，调查表明，此类节点的破坏较为严重，分析发现变梁异型节点受力性能明显不同于常规节点。而在工程设计中，GB 50011-2010建筑抗震设计规范中指出，计算节点区抗剪承载力时，节点区柱两侧梁截面高度有高差时取平均值法来计算，从历次地震分析中表明，此种简化的计算方法虽然可以满足工程中的计算问题，但是从概念或者经验意义上考虑，此计算方法缺乏充足的理论分析和试验数据。本文对钢筋混凝土框架变梁异型节点的梁端两侧施加反对称荷载，以此模拟节点在遭遇地震作用时的实际受力情况，从而分析出变梁异型节点核芯区在地震作用下的实际破坏机制。

1 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400 mm×400 mm，框架大梁截面为200 mm×700 mm，框架小梁截面:模型一200 mm×400 mm，模型二200 mm×500 mm，模型三200 mm×600 mm，各模型大小梁配筋均采用上下各3φ18，箍筋采用φ8@100(2)，柱配筋均采用8φ20，对称布置，节点核芯区处箍筋采用φ8@150(2)，柱上下端箍筋采用φ8@100(2)，梁柱混凝土强度等级均为C35。计算模型见图1。为更精确地模拟节点核芯区受力情况，将各模型网格节点划分尺寸均取为50 mm。

2 计算模型单元建立

2.1 模型加载方案

由结构力学知识得出，在地震作用参与下梁端两侧的剪力较大，因此在选取模型构件长度时，梁长度均取自梁端箍筋加密区长度，而柱上下侧均取自层反弯点位置处。其加载方案图形如图2所示。

在模拟试验过程中，对柱选施加恒定的轴压比为0.3的轴压力，然后对上述梁柱组合体施加正反对称竖向荷载，其加载终止条件:节点一侧梁上部纵筋和另一侧下部纵筋基本同时屈服。

2.2 模型加载边界条件

在ANSYS软件中，将对柱底部与顶部及梁端部做如下处理:

1)考虑对柱底部所有节点约束Y方向的自由度，在其中心节点处约束XYZ三个方向的自由度。对柱顶部，约束中心节点处XZ向自由度，以此来模拟柱上下端铰接的实际情况。

图1 计算模型

图2 异型节点正反对称加载试验示意图

2)为避免竖向集中荷载作用下在梁柱端应力集中对构件产生过大的影响，故在模型的柱底部、顶部、梁端部荷载集中处设置Soild45刚性垫块，垫块尺寸与梁柱截面相同。

3 计算分析

3.1 核芯区划分

为了更准确地叙述节点核芯区破坏的机理，现将节点核芯区做以下划分:

如图3所示，把小梁与柱形成的区域ABCD称为小核芯区，大梁与柱形成的区域ABEF称为大核芯区。

3.2 梁端施加对称荷载时各模型破坏形态

变梁异型节点与常规节点不同的是柱两侧的梁高差较大，梁的线刚度比相差较大，但从模型一、三在加载破坏过程来看，变梁异型节点核芯区均出现明显的剪切破坏，且从裂缝的发展来看，都经历了初裂、通裂、极限和破坏四个阶段，如图4，图5所示。模型一、三正反对称荷载下的应力流图见图6～图9。

图3 核芯区划分示意图

图4 模型一裂缝发展图

图5 模型三裂缝发展图

图6 模型一正对称荷载下应力流图

图7 模型三正对称荷载下应力流图

图8 模型一反对称荷载下应力流图

图9 模型三反对称荷载下应力流图

3.3 各模型破坏形态下的结果对比

从上述图形可以得出共同点:

1)地震作用下的变梁异型节点，在破坏完全符合斜压杆机理，即在初裂阶段，混凝土斜压杆控制着节点区的抗剪承载力(主要由混凝土自身的抗剪来承担)。

2)节点区破坏时，裂缝的发展主要集中在小核芯区域，因此在实际工程中，当遇到变梁异型节点时，其抗剪承载力大小主要取决于小核芯区(面积大小、配筋率、混凝土强度等级等)。

3)小核芯区以外的大核芯区，在破坏阶段，其混凝土应力值相比小核芯区较小，表明此阶段的大核芯区裂缝较少，这也证明了大核芯区对小核芯区的斜压杆混凝土膨胀有一定的约束作用，从而有助于提高小核芯区混凝土的抗压强度。

从上述图形可以得出异同点:

1)模型一:随着荷载的不断增加，变梁节点核芯区在极限阶段时，节点区形成明显的“X”形对角主斜裂缝，且从模型一正(反)对称荷载下节点区的应力流图可以直观的看出，在小核芯区域，其AC，BD向应力值最大，而在大核芯区域，应力值较小，从而可以看出:此类节点在地震作用下破坏时，主要是以小核芯区剪切破坏为主。

2)模型三:随着荷载的不断增加，小核芯区的裂缝开始向大核芯区发展，由于其节点高差相差不大(接近常规节点)，故此过程不是十分明显。从以上模型三正(反)对称荷载下节点区的应力流图可以看出，节点区的最终破坏模式是在大核芯区形成“X”形的剪切裂缝，即大核芯区发生剪切破坏，裂缝间距较大。从图中还可以看出，在梁高差范围内，也出现了许多密集的斜向裂缝，说明其破坏形式与常规节点已经十分相似。

4 结语

钢筋混凝土框架变梁异型节点核芯区的裂缝发展及破坏形态与梁截面高差变化有着密切地联系。柱截面两侧梁高差越大，节点核芯区在遭遇地震作用时，由于节点区混凝土受剪面积较小，由此引发的核芯区剪切破坏现象较为严重，故在工程实际中，设计人员应充分认识到此类节点的破坏机理，在设计此类节点时，应对节点区采取相应的加强措施(如:小梁加腋、增大节点区配箍率、适当增大轴压比、适当提高混凝土强度等)，以保证节点核芯区有足够的抗剪承载力。

［1］吴 涛，刘伯权，邢国华.钢筋混凝土框架变梁异型节点抗震［M］.北京:科学出版社，2010.

［2］JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［3］王昌兴.MIDAS/Gen应用实例教程及疑难解答［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［4］方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计［M］.北京:机械工业出版社，2007.