钢筋混凝土板柱节点文献综述

文献综述1.1 板柱结构的发展1.1.1 概述随着经济的发展和生活水平的提高，人们对住宅的质量、外观及功能也有了较高要求。

需要室内空间大，抗震性能好的房屋满足居住及商业需要，底部多功能商用上层住宅的建筑形式受到青睐。

因此设计人员在设计时要尽量减少梁、墙等构件的布置，提供尽可能大的室内空间给用户。

但现有的底部框架上部砖混结构建筑物，抗震性能差，高度受到限制。

而传统的框架剪力墙结构，抗震性能虽较好，但由于梁、柱及剪力墙等构件侵占分割室内空间，建筑功能较差。

在此情况下板柱体系近年来得到了迅猛发展。

板柱结构不设肋梁，楼板直接支撑在柱子上，板柱结构的楼盖称为无梁楼盖，通常在板柱结构中加入剪力墙形成板柱—剪力墙结构。

在工程实践中，采用上板柱、下框架的多层或小高层结构形式的合理性更为明显，下部的框架结构能够满足公用建筑的需要，而上部采用无梁楼盖的板柱结构能够给住户提供较大室内空间，整体符合现代建筑物要求，并且抗震性能较好，具有良好的社会效益和经济效益。

板柱结构具有以下几方面的优点：1）由于去掉了梁，增加了室内空间净高，可以降低层高，在建筑物高度相同的情况下增加层数。

同时使顶棚平整，不仅建筑功能上美观实用，同时有利于板底管线的布置，避免在梁上穿洞。

2）施工简单方便，省去了梁模板的支设及钢筋绑扎，不但减小用工量，而且缩短了施工周期。

3）楼面荷载直接传递给柱，再由柱传递到基础，传力途径简洁明确。

板柱结构的主要缺点是侧向刚度小，致使其抗震性能差，适用高度受到限制。

地震作用会在板柱节点处产生较大的不平衡弯矩，使节点发生冲切破坏，甚至会导致连续倒塌，历史上曾发生多起地震作用下板柱结构建筑物倒塌的事故。

我国《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）对各种结构在不同烈度地区的适用高度如表1所示，由表1数据可见在所有结构形式中，板柱—剪力墙结构的适用高度最小。

表1 钢筋混凝土房屋使用的最大高度Table 1 Maximum height of reinforced concrete buildings1.1.2 国外研究状况及工程应用无梁楼盖最早由美国明尼苏达州的Turner于1906年设计建成，这种结构中没有梁而是在柱端设置柱帽或托板。

尽管当时这种结构形式没有相应的设计方法，业主需要荷载试验合格后才肯验收，但由于省掉了梁，增加了空间净高，施工得以简化，此后的几年内美国建造了大量此类建筑物，到1913年美国各地建成一千多栋板柱结构房屋。

无柱帽的无梁平板楼盖结构大约在1925年之前也已出现，但在二战后这种结构才在美国大量应用，主要用于高层公寓建筑。

上世纪七十年代以后，随着高强混凝土、飞模等施工技术的应用，板柱结构成为被设计及施工单位广泛接受的结构形式。

Nichols J R于1914年提出了计算板柱结构的总弯矩法，这种极限分析方法使板柱结构开始有了一定的理论依据。

1921年Westergard 和Slater经过分析，得到了正、负弯矩及二者过渡界面的弯矩。

1925 年Taylor 和Hayes研究了边界条件对钢筋混凝土板冲切强度的影响，指出边界条件的影响随配筋率的增加而逐渐减小。

20 世纪30 年代美国工程师引入了简单的等代框架分析法，但还尚未成熟，不明确多区格上板带的弯矩分配值。

前苏联于20 世纪40 年代末对均布荷载作用下的板柱结构进行了试验研究，在此基础上产生了塑性铰法。

1956 年美国伊利诺斯大学进行了一系列钢筋混凝土楼盖的试验，其中包括均布荷载下的有柱帽和无柱帽的板柱结构楼盖模型，其研究成果为1971 年的ACI318—63 和ACI318—77 的修订提供了依据。

在ACI318—77 规范中进一步完善了无梁楼盖的设计方法—直接设计法和等效框架法，为板柱体系的理论分析方法奠定了基础。

此后的研究转向对等效框架法的完善和改进上。

1975 年Pecknold在对承受水平荷载的板柱结构体系的初步分析上给出了板柱结构中柱节点等代梁宽度的表达式。

随着板柱结构理论的完善，20世纪80年代英美等国已建成20层以上的板柱结构建筑物。

20世纪30年代后，随着板柱结构在工程中的大量应用，如何提高板柱节点的抗冲切能力就成为一个重要的课题。

一般来说最有效的方法是在板柱节点周围配置抗冲切钢筋。

1936年，Wheller 和Graf首次采用由工字钢、槽钢等型材组成的抗冲切钢筋进行试验研究。

此后的几十年出现了锚栓、箍筋、U 型箍等各种有效的措施，到目前为止已有20余种抗冲切配件形式。

1.1.3 国内发展历史及研究状况我国对板柱结构的研究应用开始较晚，20世纪60年代引进国外飞模施工技术，首先用于建造开敞式车间。

1976年3月1日起试行的《升板建筑结构设计与施工暂行规定》，促进了升板施工法无梁楼盖的推广应用，到1982年底全国已建成约250万平方米的多层厂房和多层仓库，最高的升板建筑为40m。

但由于当时缺乏自主试验研究，我国《混凝土结构设计规范》（TJ10—74）对板柱节点的相关规定还不完善，到80年代前期我国无梁楼盖建筑仍是以升板建筑为主，大多用于仓库和厂房等形式。

鉴于这种情况从70年代末开始，我国一些科研院所，如东南大学、同济大学、天津大学等高等院校和科研单位，对板柱节点问题进行了系统研究。

90年代相继出台《混凝土结构设计规范》（GBJ—1089）、《钢筋混凝土升板结构技术规范》（BGJ130—90）和《无粘结预应力混凝土结构技术规程》（JGJIT92—93），为无梁楼盖体系的设计应用提供了完善的计算依据，极大地推动了板柱结构的应用发展。

当前，这种结构体系在我国己经较为多见，工程应用由过去的仓库、厂房等形式逐渐向高层建筑以及住宅建筑领域拓展，同时在建造过程中结合飞模、台模等施工技术，取得了较好的经济效益和社会效益。

1.2 板柱节点受力性能的研究1.2.1 破坏形态钢筋混凝土板柱结构体系形式简洁，能降低建筑物高度且方便施工，在国内外得到广泛的应用。

水平地震作用下，板柱节点是板柱结构抗震的薄弱环节，目前比较一致地认为，在竖向荷载和不平衡弯矩共同作用下，板柱节点主要有弯曲破坏和冲切破坏两种破坏形式。

一般认为，塑性铰线的形成是导致弯曲破坏的原因。

板柱节点的弯曲破坏可用混凝土初裂、钢筋初始屈服和钢筋普遍屈服三个特定状态作为界限。

在加载初期，板柱节点处于弹性阶段；随着荷载的增加，在柱边出现裂缝且不断向四周发展，试件应变和挠度的增长加快，钢筋开始屈服；随着荷载进一步的增加，原有裂缝宽度继续加大，变形集中加剧，柱边主裂缝处的钢筋率先达到流限，远离柱边的钢筋也达到屈服；当与主裂缝相交的钢筋普遍达到屈服，塑性铰线形成后，板柱节点发生弯曲破坏。

板柱节点弯曲破坏的荷载—位移曲线的下降段较为平缓，其包围的面积即节点的耗能能力较大，破坏时试件的变形也相应较大，为有预兆的延性破坏。

与弯曲破坏相比，冲切破坏试件受拉面的裂缝均较细，径向裂缝较多，但没有明显的主裂缝。

冲切破坏发生在屈服线形成以前，即在钢筋还未屈服时就已破坏，故挠度较小，破坏呈明显脆性。

破坏时柱头连同冲切锥体突然从板中冲出，板受拉面出现撕开状环形裂缝，挠度猛增，试件失去承载力。

相对于弯曲破坏，冲切破坏是一种近柱板域的局部破坏，其荷载—位移曲线的下降段较为陡峭，承载力下降幅度大，节点的耗能能力较小，破坏前节点的变形较小，为没有预兆的脆性破坏。

东南大学的许清风，通过对已有板柱节点试验结果的总结，分析了板柱节点发生各种破坏的条件。

华南理工大学的程万里对板柱冲切问题进行了研究后指出，由于同时存在着弯曲效应和剪切效应，两者共同作用使构件发生破坏。

此外破坏形态还受到材料强度及发挥程度等各种因素影响，因此不能认为出现冲切破坏特征就是冲切破坏，同样不能以受力钢筋屈服做为弯曲破坏特征。

认为区分弯曲破坏和冲切破坏，要看破坏时板柱节点中混凝土塑性或屈服网线发展是否充分，延性是否良好，并得出结论：当荷载—挠度曲线中出现较为明显的水平段，就可以认为是弯曲破坏；否则可以认为是冲切破坏。

1.2.2 冲切问题的研究概况1907 年由美国的Talbot A N首先进行了冲切问题研究，通过二百个基础冲切破坏试验，提出了如下应力形式的计算公式：`04(2)l F c h hν=+ （1） 式中： ν—剪应力，当小于混凝土抗拉强度时构件不会发生冲切破坏； l F —冲切力；c —正方形冲切荷载的边长；0h —板的截面有效高度；'h —板截面力臂长度。

1948 年，Richart F E 发表的试验报告中包含了大量的柱基和墙基的冲切试验资料和数据。

他认为是板受拉面弯曲裂缝的斜向发展形成了破坏锥体，冲切锥体斜面的倾角约为45°。

1953年Elstner R C 和Hognesta E 进行了约40个板的冲切试验，在试验基础上提出如下经验公式：'03330.04678c f V bd νφ==+ （2） 式中：b —荷载截面边长；'c f —混凝土圆柱体抗压强度，Psi ；d —板的截面有效高度；0φ—试验极限荷载t V 与屈服线理论计算的极限荷载j V 的比值。

1961年Moe 进行了260个板与基础的冲切试验报告，探讨了柱的形状、偏心加载、柱边开孔和抗剪钢筋等因素的影响，并指出试件的破坏表现为柱周附近剪压区的剪压破坏，而不是Richart 描述的斜拉破坏。

根据试验结果提出了以下经验公式：015(10.075)j V c d bd νφ⎡===--⎣ （3） 后来Moe 又对上式进行了简化和修正，如式4、5 所示：(9.23 1.12c dν=- （4）(2.510d c ν=+ （5）Moe 的研究为其后的板柱结构计算奠定了基础，1963 年美国ACI 规范提出了冲切承载力计算公式，如式6 所示。

此公式为其后美国ACI 规范的抗冲切承载力计算修订奠定了基础。

04V b d μ= （6） 式中：V μ—抗剪承载力，KN ；0b —距柱面2d 处的设计周长φ—强度折减系数，取0.85。

我国《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）借鉴美国ACI318 规范，对集中反力作用下不配置箍筋或弯起钢筋的板的抗冲切承载力计算公式如下：,,0(0.70.15)l e q h t p c m m F f h βσημ≤+ （7）式中：,l e q F —板柱结构中等效集中反力设计值；l F —局部荷载设计值或集中反力设计值，对板柱结构的节点，所承受的轴向压力设计值的层间差值减去冲切破坏锥体范围内板所承受的荷载设计值；h β—截面高度影响系数。

当h≤800mm 时，取 1.0h β= ；当h ≥2000mm时，取0.9h β=，其间按线性内插法取用；t f —混凝土轴心抗拉强度设计值；,p c m σ—临界截面的周长上的两个方向上混凝土有效预压应力按长度的加权平均值，其值宜控制在1.0~3.5N/mm 2 范围内；m μ—临界截面的周长；0h —截面的有效高度；s β—局部荷载或集中反力作用面积为矩形时的长边与短边的比值，s β不宜大于4，当2s β≤或荷载面积为圆形时，取2s β=；s α—板柱结构中柱类型的影响系数，对中柱取40s α=，对边柱取30s α=对角柱取20s α=；η—影响系数，可以按照下面的两个公式进行计算，并取两者当中的最小值: 1 1.20.4s ηβ=+ (8)020.54s mh αημ=+ (9) 式中：1η—集中荷载或者集中反力作用面积形式的影响系数；2η—临界截面周长与板截面有效高度之比的影响系数。