配置端头锚固对角钢筋新型梁柱节点的抗震性能与设计方法研究

Beam-column joints are the most critical members in reinforced concrete moment-resisting structures under earthquake. Failure of beam-column joints may cause collapse of the whole structure. Proper seismic detailing is essential to ensure the performance of beam-column joints. The proposed project focuses on developing an innovative headed diagonal reinforcement for beam-column joints, which will help to establish additional loading paths inside the joint and to relocate the plastic hinge away from the joint. It can enhance the seismic performance of beam-column joints and improve the constructability through alleviating congested detailing as well. Test of beam-column joints will be performed to examine their failure modes, loading capacity, deformation capacity and hysteretic characteristics. Test results can reveal the mechanism of headed diagonal reinforcements in the joint and clarify the combined shear mechanism of headed diagonal reinforcements with stirrups. In addition, finite element analysis will be undertaken to optimize design parameters, including steel ratio, anchorage length and bonding condition of headed diagonal reinforcements. Based on experimental and numerical results, hysteretic constitutive model and design method for applying headed diagonal reinforcements will be developed for beam-column joints. The proposed project will contribute to development of innovative detailing for beam-column joints as well as enhancement of the seismic behavior of beam-column joints.

梁柱节点是钢筋混凝土框架结构的一个重要构件，其在地震作用下的破坏可能直接导致建筑物倒塌等严重后果，合理有效的配筋是实现其抗震性能的重要保障。本项目提出了一种端头锚固对角钢筋的新型节点配筋形式，将构建节点内荷载传递新路径与梁端塑性铰外移方法相结合，其作用在于：缓解节点内钢筋拥挤状况，提高节点的抗震性能，实现框架结构“强节点弱构件”的设计理念。课题拟开展新型配筋节点在侧向往复荷载下的试验研究，分析其破坏模式、承载能力、变形能力和滞回特性，揭示端头锚固对角钢筋在节点内的受力机理，阐明端头锚固对角钢筋与箍筋的协同抗剪机制；建立新型配筋节点的有限元模型，系统分析各关键参数（配筋率、锚固长度和粘结方式）对节点抗震性能的影响；基于试验和数值模拟结果，提出新型配筋节点的滞回关系模型和实用设计方法。本研究对推广梁柱节点的新型配筋形式和提高梁柱节点的抗震性能都具有重要的科学意义和工程应用价值。

钢筋混凝土梁柱节点的表现对框架结构的抗震性能有着至关重要的影响，传统梁柱节点配筋采用水平箍筋的形式，这不但会引起节点内钢筋拥挤、施工困难等一系列问题，还会最终影响其抗震性能。本项目提出了一种端头锚固无粘结对角钢筋的新型梁柱节点配筋形式，考虑梁端塑性铰转移机理以及节点内力自平衡机理。在试验阶段制作并测试了10个2/3缩尺试件，分别研究了：使用该新型配筋形式取代传统水平箍筋的可行性和效率；该配筋形式锚固长度对节点性能和配筋效率的影响；该配筋形式直径与对角段粘结方式对节点性能和配筋效率的影响；采用外包钢管对角钢筋取代传统水平箍筋的可行性。试验结果表明，该新型配筋形式可以将塑性铰从梁端转移至对角钢筋锚固段末端，并显著地改善节点区损伤程度、极限承载力、刚度与核心区变形等抗震性能指标。增加塑性铰转移距离可以增加试件的极限承载力，但节点的各项抗震性能指标总体呈现出先改善后降低的趋势。更长的塑性铰转移距离可以减少屈服应力渗透入节点区，但同时也增加了梁-节点交界截面的作用弯矩和节点区剪力，增加节点剪切破坏的风险。此外，对角钢筋的直径和粘结方式总体上对节点抗震性能影响较小，采用对角段无粘结的方式可以减少节点区裂缝。使用外包钢管对角钢筋的节点配筋形式，不但能提升节点的各项抗震性能指标，而且可以完全避免使用传统水平箍筋。最后，基于有限元模型，对该新型配筋的弯折点位置、钢筋面积和相近面积下钢筋的根数进行了参数化分析。钢筋的弯折点位置推荐放置在梁-节点交界处或节点内。钢筋总面积不能过小，否则无法保证梁塑性铰的转移。钢筋的根数不能设置过少，避免锚固段锚固能力不足导致梁端抗弯承载力过低而塑性铰转移失败。最后，基于截面分析提出了配置端头锚固对角钢筋梁柱节点的设计模型，设计模型的预测结果与试验结果总体上相一致，验证了该模型的可靠性。