错层非抗震设计内嵌钢筋混凝土梁柱节点性能评估与CFRP加固效果评估

《Engineering Structures》：Performance assessment and CFRP retrofit evaluation of non-seismically detailed interior RC beam-column joints with staggered beam levels

　　

• •
  研究了竖向错位的RC（钢筋混凝土）内部梁柱节点在单调加载下的受力行为。
• •
  竖向错位破坏了节点的受力平衡与双向约束效应。
• •
  错层RC节点在增大的板区范围内表现出独特的破坏模式。
• •
  研究结果可为易损性分楼层RC框架的地震评估与加固提供参考依据。

引言

梁柱节点（BCJ）是钢筋混凝土（RC）抗弯框架中关键的传力构件，其抗震性能在强烈地震作用下显著决定着结构整体完整性 [1], [2]。近期的试验研究进一步凸显了这些节点的脆弱性，尤其是那些仅为竖向荷载设计的老旧RC建筑。Frappa 等人 [3] 对采用光圆钢筋加固的边梁节点往复加载试验结果进行了系统性综述，重点指出锚固构造不足、缺少水平方向节点配筋以及使用光圆钢筋等因素会诱发脆性破坏机制并导致节点提前发生剪切破坏。与此类似，Frappa 和 Pauletta [4] 通过非线性时程分析表明，采用单向框架和低强度混凝土的既有RC建筑在现行抗震规范要求下位移延性储备不足，需要采用外部钢支撑框架结合局部补强等措施这类最小侵入式加固方案，方能实现满意的抗震性能。

与假定梁在同一平面、受力呈对称平衡，且受益于双向约束（即框进柱两侧对置柱面的梁同时约束节点核心区，限制其在斜向受压下的横向膨胀，从而增强节点抗剪承载力、延缓斜向开裂并改善峰值后延性）的传统二维内部BCJ不同，竖向错位的BCJ（又称错层节点或分楼层节点）是指框入柱对置两侧面的梁在不同竖向标高处连接的情形（见图1）。这种偏移深刻改变了节点的力学机制：板区尺寸增大，不同高度处作用的内力破坏了经典的对称受力平衡，同时关键的轴向双向约束效应丧失，使节点在每一梁框入标高处的行为更趋近于边梁节点 [5]。

这类竖向错位的BCJ在实际工程中并不罕见，产生于多种设计与施工情形。典型例子包括：为适应倾斜场地或建筑形体过渡而有意错开楼板的分楼层建筑；为满足设备与操作平台需设置不同楼层标高而采用不同标高要求的工业及特殊用途设施；采用坡道系统而自然形成楼层高差的停车结构；以及新设楼层标高可能与既有楼层不对齐的建筑扩建或加建工程。

在过去六十年间，传统同平面BCJ已通过大量试验与数值研究得到广泛探索 [6], [7], [8]。针对标准内部、边梁及角部节点的实物试验数据库已澄清了各类设计参数的影响，形成了成熟的破坏模式分类（即梁铰破坏、节点剪切破坏与粘结滑移破坏），并发展出可靠的分析模型如拉压杆法。这一系统的研究成果构成了现行设计规范的基石 [9], [10], [11]，并全面量化了横向钢筋与楼板的结构贡献。近年来，研究人员还成功借助非线性有限元（FE）模型准确预测这些标准节点构型的抗剪承载力、破坏机制及荷载—变形行为 [12]。

除竖向错层布置外，其他不规则BCJ几何构型亦引起了研究兴趣。Jiang 等人 [13], [14] 研究了源自菱形桥墩的双斜向RC梁柱节点，发现柱身倾斜会对节点核心区施加预应力、加速开裂并降低承载力、抗剪强度与延性，且较高轴力会使破坏模式由节点剪切转为剪切—受弯混合破坏。一项姊妹研究 [15] 证实，延性约低10%、耗能能力减少9%、抗剪强度降低15%，并表明工程水泥基复合材料可有效弥补这些损失。

专门针对竖向错位BCJ的研究仍然有限，且几乎全部开展于钢结构与组合体系，如钢管混凝土（CFST）柱 [5], [16], [17]。Mou 等人 [18] 与 Li 等人 [19] 通过试验与数值研究证实，竖向错位会依荷载方向从根本上改变节点内部传力机制，与标准同平面节点相比，错层节点始终表现出更差的滞回特性、更快发生的强度与刚度退化以及更低的耗能能力。Liang 和 Bai [20] 进一步确认，虽然中等偏移可以调动更大体积的受约束混凝土以暂时提高承载力，但竖向偏移会改变结构受力需求，且往往导致严重损伤集中出现在拉长的板区或两个梁标高之间的柱段过渡区域。

分节摘要

研究意义

尽管在抗震设防区的分楼层与错层RC建筑中，竖向错位的BCJ普遍存在，但现有文献仍存在关键的知识空白，这既阻碍了既有结构的评估，也不利于合理设计条款的制定。这些空白包括：(i) 关于具有竖向偏移梁的RC内部BCJ的性能数据（试验或数值）几乎完全缺失；(ii) 缺乏对……

数值模型

本研究采用ABAQUS软件 [21] 开发的二维（2D）非线性有限元模型，模拟未经加固及采用CFRP（碳纤维增强复合材料）加固的边梁与内部BCJ的受力行为。在该二维平面应力建模方法中，采用单层单元代表试件中部截面以捕捉面内传力机制。当试件厚度相对于其横向尺寸较小时，且主要结构……

数值模型验证

需指出的是，目前尚不存在关于梁标高竖向错位的RC梁柱节点的试验数据，这正是本研究所要解决的首要知识空白。因此，验证策略通过两种互补情形来包络目标几何构型的力学行为。同平面内部BCJ验证（Hakuto 等人 [34]）确立了模型在节点板区剪切机制、斜向拉裂……

研究概况与框架

本研究针对具有梁竖向错位的RC BCJ开展系统性的单调加载参数化分析。这种几何不规则性在抗震设防发展中国家的既有建筑中普遍存在，但现代设计规范对此大多未予涉及。为弥补这一空白，本研究借助已验证的非线性有限元方法，对一个通过试验手段在组织与经济上难以承担的宽泛参数空间进行探索……

初步数值分析结果

本次针对未设抗震设计的、具有梁竖向错位的RC内部BCJ的参数化分析（包含7个错位等级（0.0–2.0$h_b$）、4个柱轴压比（$V_d$ = 0.0–0.6）共28个未加固节点试件，另辅以16个CFRP加固方案）得出以下主要数值发现：

• 1.
  侧向承载力与错位量之间呈非单调关系。在所有轴力水平下，均在错位量为 $1.0h_b$ 时出现承载力峰值，

未来工作

后续试验研究对于验证上述数值结果与所提出的设计考量至关重要。本研究为确定此类试验计划中需考察的关键几何与荷载参数提供了系统依据。

CRediT作者贡献声明

Ahmad G. Saad：写作—审阅与修改，写作—初稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，数据整理，概念构思。Walid Mansour：写作—审阅与修改，写作—初稿撰写。Amr Z. Elkady：写作—审阅与修改，写作—初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

不适用

竞争性利益

作者声明不存在竞争性利益冲突

Ahmad G. Saad|Walid Mansour|Amr Z. Elkady