2.2 影响节点抗剪强度的因素
在过去近半个世纪的时间里许多国家进行了大量的钢筋混凝土框架节点的试验研究，目的是分析影响节点受力性能的各种因素，包括混凝土强度、轴压比、节点配箍率、贯穿节点核心区梁筋粘结性能、楼板和直交梁等参数，取得的成果不断促进了各国规范与设计方法的改进。因此，详细了解影响节点抗剪强度的因素不仅可以进一步了解节点受力机制，还有利于在节点的抗震加固中分清主次，以取得良好的效果。为了更加形象化地分析这些影响因素，本节将对国内外208个中节点、101个边节点和38个空间节点试验数据进行对比分析，试验试件详细信息见附录。
2.2.1 混凝土强度
由图2.5可以看出，随着混凝土强度提高节点抗剪强度随之提高，这与节点受力过程中在节点核心区形成的斜压杆有关，同时混凝土强度提高还可以增强与钢筋之间的粘结作用。从图中可以发现当混凝土强度fc﹤40MPa时，无论是中节点还是边节点多发生节点剪切破坏，然而随着核心区相对配箍率的增大，箍筋对核心区混凝土形成有效的约束同时并承担核心区开裂后的拉应力，破坏逐渐向梁端转移，因此当混凝土强度较低时，适当增加配箍量可以避免发生剪切破坏（图2.6）。但是当配箍量较少时，一味提高混凝土强度并不能达到相同的效果，因为虽然混凝土强度提高时其抗拉强度也会相应提高，但是与钢筋抗拉能力仍相距甚远，节点依旧发生斜拉型剪切破坏。但是对于强度较低的边节点，单纯增加配箍量同样不能避免其发生剪切破坏，这是因为随着箍筋配置量增加，节点虽然也能形成斜压杆机制和桁架机制，不过随着循环受力增大，节点交替剪切变形也随之增长，箍筋屈服，核心区混凝土最终斜向压溃，发生斜压型剪切破坏。因此，对于边节点要求混凝土强度与配箍量都较为适当的时候方能避免节点剪切破坏。鉴于早期既有框架节点混凝土强度与配箍量都相对较低的现状，怎样通过合理的加固方法避免其发生剪切破坏是实现节点延性抗震加固的一个重要前提。
图2.5 混凝土强度对节点强度的影响
图2.6 混凝土强度与配箍特征值关系
2.2.2 轴压比
柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积的比值称为柱轴压比，它反映了框架柱传入节点轴压力的大小。早期的研究表明，柱轴压比改变对节点受力性能影响甚微（Uzumeri，1977），但随着研究的深入，一些学者提出增大轴压比不仅能改变节点的破坏形式，还可以通过改善贯穿节点核心区梁筋粘结性能以及影响斜压杆压应力大小对节点受力产生影响。由图2.7可以发现，轴压比改变对几种破坏形式的节点产生的影响不尽相同，对于发生剪切破坏的节点，轴压比增大可以延迟节点区交叉斜裂缝的出现并减缓斜裂缝开展速度，这些都有利于节点抗剪能力的发挥，但是当轴压比过大时，斜压杆机制中的压应力相应增大，这会加速其发生斜压破坏，因此适当增加轴压比可以提高节点剪切强度；对于梁筋屈服后发生剪切破坏的节点，轴压比增加可以推迟贯穿核心区梁筋的粘结失效，但当梁端纵筋屈服后变形达到一定程度，梁筋仍会发生粘结退化，随后，较大的轴压力会进一步增加斜压杆压力，产生不利影响；对于发生梁筋屈服破坏和粘结滑移破坏的节点，轴压比增加在受力初期仍可以改善钢筋粘结性能，但是梁筋发生屈服或粘结失效时节点所受的剪力较小，增大轴压比柱带来的斜压杆压力虽不致节点受压破坏，但影响也较小。因此，适当的轴压比可以提高节点的抗剪能力，但是当节点发生剪切破坏时，增大轴压比反而使节点性能恶化。
图2.7 轴压比对节点强度的影响
2.2.3 配箍特征值
在节点核心区配置箍筋可以实现两个功能：一是约束节点核心区混凝土，提高这部分混凝土的抗压强度；二是承担核心区混凝土开裂后节点剪力的水平拉力分量，提高节点抗剪强度。由图2.8可以看出，节点剪切强度在较小配箍特征值的时候既已取得较大数值，但配箍特征值超过一定值后如果继续增大节点剪切强度却出现降低的趋势。当节点核心区混凝土由桁架机制产生的拉应力超过其抗拉强度而开裂后，裂缝处的箍筋承担了较大的拉应力，若剪力保持不变，则箍筋越多拉应力越小，交叉裂缝开展越缓慢且宽度越小，因此，此时增加箍筋数量不仅可以提高节点抗剪强度，还能避免因箍筋早于梁端受拉梁筋屈服而发生斜拉型剪切破坏；但是，当箍筋数量过多时，节点中由桁架机制产生的箍筋拉力未达到屈服强度前，核心区混凝土即由于斜压杆机制与桁架机制引起的斜向压力过大而被压溃，发生斜压型剪切破坏，节点箍筋未能充分发挥作用，节点核心区抗剪强度达不到设计值，节点偏于不安全。因此，对于核心区内配置较弱箍筋或箍筋间距较大的节点，需要采取约束节点变形的加固方法来限制核心区裂缝的发展；同样，对于节点箍筋配置过高的节点，也要选择适当的加固方法防止节点核心区混凝土发生斜压型剪切破坏。
图2.8 配箍特征值对节点强度的影响
2.2.4 梁筋粘结指数
贯穿节点核心区的梁筋的粘结状况对节点刚度、延性以及耗能性能都有显著的影响，当梁筋发生粘结失效时往往会引起梁端绕梁柱交界面固端转动，试验结果表明，这种固端转动一般会超过节点组合体变形的一半以上，导致节点的抗震性能显著降低。梁筋粘结指数μ反映了梁筋在节点内的最大粘结应力，由公式
计算得到。由图2.9可以看出，在梁筋粘结指数较小时破坏多为梁端破坏或梁端先行破坏的节点剪切破坏，这是由于此时梁筋在节点内的粘结应力较小，输入到节点的剪力较少，桁架机制作用微弱，当梁筋屈服后发生粘结失效并不断向节点内渗透，节点基本上完全服从斜压杆机制，此时如果不发生节点剪切破坏，节点剪切强度并未得到完全发挥。当粘结指数增大，梁端抗弯能力也相应增强，通过粘结应力输入到节点的剪力增大，桁架机制与斜压杆机制同时发挥作用，节点受到较大作用同时发生较大的剪切变形，节点最终发生剪切破坏。由此可以发现，虽然发生梁筋粘结失效时，梁压力是通过受压区混凝土输入节点而非梁受压钢筋粘结应力，于是对角压杆承担的剪力增加，而通过粘结应力传递的对角拉应力减小，节点核心区处于较佳的受力状态，从而使其剪切强度得到提高，但是严重的粘结滑移会引起梁端脱离梁柱交界面的固端转动而非梁塑性铰弯曲变形，梁塑性铰退化，梁端失去对节点核心区的约束，框架结构的刚度与耗能性能降低。因此，必须采取有效的加固方法限制梁筋的粘结滑移，并同时尽量减少梁筋通过粘结应力对节点核心区拉应力的输入。
图2.9 粘结指数对节点强度的影响
2.2.5 剪压比
剪压比表示节点截面上的名义剪应力Vjh/bjhj与混凝土轴心抗压强度fc的比值。我国现行规范规定，钢筋混凝土结构的梁、柱、抗震墙和连梁，其截面组合的剪力设计值应不大于0.2fc，如图2.10所示，发生梁端屈服或梁端屈服后节点发生剪切破坏的两类节点基本上都分布在这一区域。当剪压比较小时，梁截面纵筋配置数量往往不多，通过梁筋粘结应力传入节点核心区的剪力也较小，纵使节点内配置的箍筋不多，梁端也会早于节点发生破坏；随着剪压比增大，梁筋输入节点内的剪力也随之增加，节点就会在桁架机制与斜压杆机制的共同作用下出现交叉裂缝，如果节点配置了适当的箍筋，节点不会过早发生剪切破坏；但当剪压比过大时，由于梁筋数量较多，梁端在反复荷载作用下不会发生破坏，梁筋粘结性能得到较好的保持，节点在剪力作用下出现较大剪切变形，此时再增加箍筋用量，也不能阻止节点发生斜压型剪切破坏。因此，在选取节点加固方法的时候应预先验算其剪压比，对于较大剪压比的节点不能一味采取增加箍筋数量的方法。
图2.10 剪压比对节点强度的影响
2.2.6 柱纵向钢筋
地震灾害表明，如果框架结构在地震过程中发生柱端破坏，则会导致结构整体倒塌，因此各国规范都选取比较理想的梁端塑性铰的破坏方式，规定柱端弯矩应为梁端弯矩乘以柱端弯矩增大系数。柱筋与梁筋情况类似，靠与混凝土之间的粘结应力传递剪力，由于采取强柱弱梁设计原则和受到较大的轴向力作用，柱筋滑移情况不如梁筋明显。由图2.11可以看出，随着配筋率的增大，节点剪切强度有增大趋势，这是因为柱筋在节点核心区与节点区箍筋一起可以形成对核心混凝土的双向约束作用，提高混凝土的抗压强度，但是如果柱筋配筋率较高，而节点内箍筋数量较少，此时节点容易发生斜拉型剪切破坏，使柱筋无从发挥对核心混凝土的约束作用。因此，在节点加固过程中应注意验算加固后梁端与柱端弯矩的比值，防止加固后节点出现强梁弱柱的情况。
2.2.7 直交梁与楼板
实际工程中，框架梁往往是和直交梁与楼板一起工作的，但是由于试验条件的限制，一般仅进行平面节点或者简化空间节点的研究，虽然这与实际情况不符，但也能从中取得一些初步的认识，直交梁和楼板可以增加节点的抗剪面积并对核心区混凝土形成有效的约束，提高节点的抗剪强度与刚度，减小剪切变形；同时楼板与框架梁共同承担梁端作用，减小梁纵筋应力，节点核心区水平剪力随之减小。覆盖率为直交梁宽度bbt与柱截面高度hc的比值，是评价直交梁性能的一个指标，由图2.12可以看出，随着节点覆盖率的增大，节点剪力提高，说明直交梁对节点形成有效的约束，但是当覆盖率较小时这种效果则不明显。因此，在节点的加固过程中要充分考虑直交梁与楼板对加固实施的影响，并且尽量减少对楼板的破损，采用简单易行的方法。
图2.11 柱纵向钢筋配筋率对节点强度的影响
图2.12 直交梁对节点强度的影响