基于抗震性能的钢筋混凝土框架结构节点设计分析.pdf

Intelligent Building and Construction Machinery智能建筑与工程机械2023年 8月Aug 2023第5卷 第8期Vol.5 No.80引言地震是一种常见的自然灾害，对建筑结构造成的损失极大。而钢筋混凝土框架结构是建筑领域中应用最为广泛的结构形式之一，其具有承受大震力的能力和较高的安全性能。钢筋混凝土框架结构中的节点设计对整个结构的抗震性能起到至关重要的作用。因此，研究钢筋混凝土框架结构的节点设计，了解其受力特点，分析其抗震性能，对提高钢筋混凝土框架结构的抗震性能水平具有重要的意义。1钢筋混凝土结构的抗震性能评价指标抗震性能是评价钢筋混凝土建筑结构的一个重要指标，其指的是结构在地震力作用下能够承受破坏而不造成严重的伤亡和经济损失的耐震能力。根据国家标准建筑抗震设计规范(GB50011-2010)，抗震性能可分为以下 4 个性能等级：一是等震性能。结构在小震动作用下可以正常使用，但在大震动作用下可能产生轻微损伤。二是较好的抗震性能。结构在小震动作用下可以正常使用，在大震动作用下可以承受一定程度的破坏。三是优良的抗震性能。结构在小震动作用下可以正常使用，在大震动作用下可以承受较为严重的破坏，但不至于崩塌。四是非常优良的抗震性能。结构在小震动作用下可以正常使用，在大震动作用下可以承受极其严重的破坏，但也不至于全面崩塌。不同等级的抗震性能对应的地震分别不同，具体对应的地震参数需根据不同的设计场地确定。我国对于建筑物抗震设防层面的目标，可概括为收稿日期：2023-04-06作者简介：王阳（1984），女，吉林吉林人，本科，工程师，研究方向：建筑设计。基于抗震性能的钢筋混凝土框架结构节点设计分析王 阳（中国昆仑工程有限公司辽阳分公司，辽宁 辽阳 111000）摘 要：为解决部分地震高发区建筑物结构的安全问题，保障人民群众的人身安全以及财产安全，在分析建筑结构的性能水平并将其量化的基础上，对钢筋混凝土框架结构的概述提出了抗震结构的延性设计原则，阐述了基于抗震性能的钢筋混凝土框架结构节点设计的主要内容，希望能够为同行业工作者提供一些帮助。关键词：抗震性能；钢筋混凝土框架结构；节点设计中图分类号：TU375.4;TU352.1文献标识码：A文章编号：2096-6903(2023)08-0037-03智能建筑与设计施工“小震不坏、中震可修、大震不倒”。这个标准对于建筑结构功能的要求相对单一，虽然能够保证建筑物不会倒塌，但却无法确保在强震条件下所产生损失。基于此，自 20 世纪 90 年代以来，地震工程领域开始重点关注建筑结构综合位移的结构设计，经由长时间的分析与结构设计积累，提出了相对完整的设计理论以及对应的设计方法1。2钢筋混凝土框架结构节点设计原理2.1 钢筋混凝土框架结构简述钢筋混凝土框架结构是一种广泛应用于建筑、桥梁、隧道等工程中的结构形式。它由多根水平的梁和多根竖直的柱子组成，梁和柱子通过连接件连接在一起，形成一个框架，称之为钢筋混凝土框架结构。框架中的柱子负责承受垂直荷载，梁负责承受水平荷载，连接件则起到连接和传递荷载的作用。钢筋混凝土框架结构具有强度高、刚度大、稳定性好等优点，能够适应各种复杂的荷载情况和地震动力作用，广泛应用于建筑中。其中最为突出的特点在于其具有较为灵活的空间布置能力，并由于该结构自重较轻，可节约较多的建筑材料，并可保证建筑物平面空间的调整灵活性，适用于内部空间需求相对较大的建筑物结构领域。在实际的建筑设计中，钢筋混凝土框架结构的轮廓和跨度、柱子和梁的尺寸及数量、连接件和支撑结构的方式都需要根据实际需要进行合理设计，以达到安全、经济、美观的效果。在设计过程中，为了获得较为突出的抗震结果，通常将梁与柱浇筑建筑结构需求的截面形状。但钢筋混凝土框架结构的应用中也存在着较为突出的结构缺陷。例如，框架节点的应力较为集中，但特性智能建筑与工程机械 38 第5卷刚度相对较小，在强烈地震以及外部因素影响下，使该结构产生较大的水平位移，从而增大建筑结构的非结构性破坏风险，此种情况在地震高发区域中展现得尤为严重2。2.2 钢筋混凝土框架结构节点设计的分类和特点钢筋混凝土框架结构节点设计可以分为刚性节点和铰接节点两种类型。对于刚性节点来说，它具有良好的刚度和稳定性，能够承受较大的外力作用。刚性节点的连接处需要加强大量钢筋，以增加结构的强度。刚性节点的设计难度较大，需要考虑力学及材料的复杂性，因此设计过程较为繁琐。对铰接节点来说，它具有良好的适应性，能够有效地抵御剪切等作用，可以通过设置铰接来降低结构的刚度，减少结构的应力和振动。铰接节点的设计较为简单，但是需要注意设计中的一些细节问题，如合理设置铰点的位置和形式。刚性节点和铰接节点具有不同的优缺点，设计时需要根据实际情况进行选择3。2.3 钢筋混凝土框架结构节点设计的基本要求钢筋混凝土框架结构节点设计的基本要求包括以下6 点：一是承载力要求。节点设计应能满足结构在各类荷载作用下的承载能力要求。二是稳定性要求。节点设计应能保证结构在各类荷载作用下的稳定性，防止发生失稳。三是承载性能要求。节点设计应能保证结构在整体失稳前，节点不发生局部稳定失效。四是经济性要求。节点设计应能在满足安全、稳定、承载性能等要求的前提下，尽量降低花费和材料量的使用。五是施工便捷性和可操作性要求。节点设计应能简化节点施工难度，确保施工时的安全和工期。六是耐久性要求。节点设计应考虑结构的使用寿命和耐久性，以确保结构的长期稳定性和安全性。只有满足钢筋混凝土框架结构节点设计的基本要求，才能保证节点设计的安全性和可靠性4。2.4 钢筋混凝土框架结构节点设计的基本原则在钢筋混凝土框架结构设计过程中，要确保抗震性能达到预先设定的标准，其中最为关键的是全面提升结构的延性性能。延性性能越大，建筑结构在地震影响下承受的塑性变形能力越强，进而有利于降低结构倒塌的风险，并且能够在一定程度上抵抗由于地震所带来的建筑结构的破坏性。这就要求在结构设计期间，从配件构造和结构设计两个角度出发，确保能够展现充足的延性。钢筋混凝土框架结构节点设计要把握好以下 6 个基本原则：一是坚固性节点的设计应该能够承受地震力的作用，防止结构发生破坏。二是节点的设计应该具有一定的韧性，能够在地震力的作用下发生一定程度的变形，从而减轻地震力的影响。三是节点的设计应该考虑到结构在地震中发生部分损坏时的修复方法和措施，使得结构能够尽快恢复正常。四是材料适应性。节点的设计应该考虑到材料的特性和使用要求，应选用适合的材料，确保结构的稳定性和抗震性能。五是实用性。节点的设计应该考虑到操作的方便性、工艺的可行性和实际施工的条件，以便实现良好的抗震性能。六是经济性要求。节点的设计应该考虑到经济性的问题，以达到优化结构设计的目的5。3钢筋混凝土框架结构节点设计内容3.1 钢筋混凝土框架结构节点设计的基本流程基于抗震性能的钢筋混凝土框架结构节点设计，要把握以下基本流程：确定结构的地震分区和设计基准地震波参数，对节点所处的位置和节点周围的结构进行分析，确定节点的受力状态，如是否处于弯曲区、剪切区或受拉区等。根据节点的受力状态和设计基准地震波参数，建立数学模型，进行结构抗震性能计算。根据计算结果，确定节点所需的尺寸、钢筋布置和承载能力等设计参数。设计节点的几何形状，包括节点板厚、弯曲区钢筋的直径和布置形式、节点支撑和连接方式等。对节点进行细化设计，考虑生产、施工和验收的技术要求，确定合理的材料规格和施工方法。通过模拟或实验验证节点设计的合理性和性能，如弯曲承载能力、刚度、韧性等。根据实际施工情况，进行节点设计的调整和完善。3.2 钢筋混凝土框架结构节点设计的参数选择和计算方法钢筋混凝土框架结构节点设计一般需要考虑节点的抗震性能，参数选择和计算方法应根据设计要求和实际情况进行具体选择。一是参数选择。节点设计的参数包括材料参数和几何参数两个方面。材料参数包括混凝土强度等级、钢筋抗拉强度等级、钢筋屈服强度等级、连接件强度等级等。几何参数包括节点截面尺寸、钢筋配筋率、连接件尺寸等。二是计算方法。节点设计的计算方法一般采用有限元方法或试验方法。有限元方法是通过建立节点有限元模型，利用有限元软件进行分析计算，得到节点的应力、应变分布和承载力等参数。试验方法是通过建立试验模型，进行试验加载和观测，得到节点的受力性能。试验方法可以对有限元分析计算结果进行验证和修正。综合考虑材料参数和几何参数，结合有限元分析计算和试验数据，可以得出节点设计的参数选择和优化方案。4钢筋混凝土框架结构节点设计的实例分析在大型地震发生条件下，梁柱节点是钢筋混凝土框架结构中最容易被预先破坏的核心部位6。2023年 第8期 39 基于国内外地震资料研究，地震发生时对建筑结构带来的破坏主要体现在建筑物的柱子上。由于柱子端侧的混凝土极容易在外在作用影响下被剥离或压碎，直至钢筋结构全部被歪曲，该现象对于整体的框架结构应用效果来说极为不利。若某层钢筋混凝土框架柱端出现了损坏情况，则其他柱子的端口极容易在持续的作用影响下遭受破坏，影响建筑结构的整体安全性与稳定性7。若发生的破坏仅仅出现在梁的端口，只有在绝大部分梁被完全破坏后才会导致建筑物结构的倒塌。在钢筋混凝土框架柱子的设计过程中，需要主动增大柱端的弯矩设计值，从而降低柱子的屈服概率，保证建筑物结构能够满足抗震性能的基本要求，在地震期间能够发挥作用。在强柱弱梁的钢筋混凝土框架中，强柱是指框架柱子的抗剪能力和抗弯能力，要超出梁的抗剪能力和抗压能力。如果柱子因为较强的减压负荷受力而产生了破坏，就会导致脆性破坏问题。而地震作用力极容易导致产生脆性破坏现象8。若采取强柱弱梁框架结构，则其梁将会成为首先产生裂缝的位置，所形成的塑性铰能够起到将破坏的时间延迟，给予人们更多的逃生与躲避的机会。为实现强柱弱梁的节点设计目标，需要在节点设计期间设置较多的加密箍筋，配合使用 135弯钩，对柱子的受拉钢筋的配筋率展开合理管控，对梁的锚固筋予以整体强化，进而提高柱子强度的整体作用。在罕见地震出现时，该框架结构的梁端口同样能够形成塑形铰，确保柱子的端口始终能够处于弹性状态，不会出现结构屈服的现象，促使整体的节点能够处在弹性状态，从而保证结构的稳定性。强柱弱梁展现出的强弱水平，与梁端截面的抗弯能力和柱端截面的抗弯能力密切相关，其增幅大小紧密关联最终的结构强度。在大型地震后，柱子端口截面的塑性转动并不会导致超出塑性转动能力的关键因素。强度弱梁是判断是否能够最终形成层侧移结构的重要基础，也是避免柱子结构不会由于外力作用而将其得其压碎的关键手段。柱子的强度高于梁的幅度的最终大小，与梁端的塑性铰形成过程中动力特征以及塑性内力的分布变化情况密切相关9。在建筑物结构设计和资源配置过程中，要尽量做大柱子的截面尺寸，柱子的线高度和梁的线刚度比值要始终大于 1，要确保柱子轴压的控制严格性，从而匹配与抗震性能相适应的建筑建设标准和设计标准，使其延性性能能够获得进一步强化。对截面承载力进行验算过程中，要对柱子的设计弯矩予以人为调整，严格遵循强柱弱梁的原则，将柱子设计弯矩予以放大，从而起到强化柱子配筋结构的作用。5结束语地震高发区域更需要提高对建筑结构设计安全性与稳定性的重视，将抗震性能作为钢筋混凝土建筑结构设计的基本原则。本文基于抗震性能的钢筋混凝土框架结构节点的设计分析，通过分析节点受力特点，提出了一种新的节点设计方法，并在此基础上进行了数值模拟和试验验证。新设计的节点有效提高了结构的抗震性能和安全性，并在数值模拟和试验中得到了验证。参考文献1 邵珠海.FRP筋混凝土框架结构节点抗震性能有限元分析D.济南:济南大学,2022.2 马青萍.装配式混凝土框架结构节点精细数值模型及抗震性能研究D.乌鲁木齐:新疆大学,2021.3 高培楠,邓扬,李爱群,等.装配式混凝土框架结构连接节点抗震性能研究进展J.工业建筑,2021,51(2):171-185+152.4 王振营.预制预应力自复位钢筋混凝土框架结构抗震性能研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2021.5 李进,张娇磊,李书锋,等.某新型梁柱节点的装配式钢筋混凝土框架结构基于性能的抗震设计研究J.地震工程学报,2020,42(6):1377-1385.6 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