高層建筑框架梁柱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度驗(yàn)算與施工處理

1、    高層建筑框架梁柱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度驗(yàn)算與施工處理      摘 要 高層建筑框架梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土如何澆注才能滿足承載力要求，是長(zhǎng)期困擾著設(shè)計(jì)和施工人員的一個(gè)問(wèn)題，文中根據(jù)高規(guī)的定性規(guī)定，經(jīng)定量驗(yàn)算而總結(jié)出一種節(jié)點(diǎn)區(qū)簡(jiǎn)易處理方法，望能得到同行的認(rèn)可和接受，并在實(shí)際工程中加以運(yùn)用。 1 規(guī)范條文摘錄在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2002）中，有關(guān)框架梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土的設(shè)計(jì)和澆注有以下的條文內(nèi)容及條文說(shuō)明：當(dāng)柱混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度高于梁、樓板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)混凝土施工采取有效措施（第13.5.7條

2、）；高層建筑不同強(qiáng)度的梁、柱節(jié)點(diǎn)混凝土澆筑需要有關(guān)單位具體協(xié)商解決（條文說(shuō)明）；抗震設(shè)計(jì)時(shí)，一、二級(jí)框架的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)應(yīng)按本規(guī)程附錄C進(jìn)行抗震驗(yàn)算；三、四級(jí)框架節(jié)點(diǎn)以及各抗震等級(jí)的頂層端節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，可不進(jìn)行抗震驗(yàn)算（第6.2.7條）。凡是梁柱節(jié)點(diǎn)之混凝土強(qiáng)度低于柱混凝土強(qiáng)度較多者，皆必須仔細(xì)驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)區(qū)的承載力，包括受剪、軸心受壓、偏心受壓等，并采取有效的構(gòu)造措施（條文說(shuō)明）。由此可以看出，規(guī)程對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土的設(shè)計(jì)及施工并未作出明確的規(guī)定，而在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工中，這一問(wèn)題是不可能回避的，因此尋求一種梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土合理設(shè)計(jì)和便利施工的方法正是本文的目標(biāo)。2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3、和施工中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題2.1 為了滿足柱軸壓比的要求，同時(shí)又要控制柱截面不過(guò)大，柱子采用較高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土是一種必然。而對(duì)于以受彎為主的樓層梁板，過(guò)高的混凝土強(qiáng)度等級(jí)卻是不需要且不適宜的，前者指對(duì)其抗彎承載力的貢獻(xiàn)不明顯，后者則指對(duì)構(gòu)件承受非荷載應(yīng)力（混凝土收縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力等）不利。正因如此，高規(guī)第6.1.9條才有“現(xiàn)澆框架梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜高于C40”的規(guī)定，但實(shí)際工程設(shè)計(jì)中樓蓋合適的混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)為C25C35。由此可見(jiàn)，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的柱混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度高于梁板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度必然存在，而且隨著建筑物高度的增大，兩者的設(shè)計(jì)強(qiáng)度差距會(huì)越大，當(dāng)然該區(qū)段主要存在于高層建筑的下部。2.2 目前

4、混凝土的澆筑施工幾乎都是采用商品混凝土泵送工藝，而且習(xí)慣于將豎向構(gòu)件與水平構(gòu)件分兩批集中澆注（即節(jié)點(diǎn)區(qū)采用樓蓋混凝土強(qiáng)度等級(jí)澆注）。如果要求其中的梁柱節(jié)點(diǎn)單獨(dú)澆注，則首先是其供應(yīng)量及澆注時(shí)間不易控制而會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量事故，其次是節(jié)點(diǎn)區(qū)與梁板之間的分隔確實(shí)存在難度，故施工單位至少不希望大面積采用此方法。3 受剪、受壓驗(yàn)算規(guī)律考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工的操作程序，同時(shí)又要滿足規(guī)范中對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)承載力的要求，我們列舉數(shù)例對(duì)典型節(jié)點(diǎn)區(qū)的受剪、軸心受壓、偏心受壓進(jìn)行計(jì)算（其過(guò)程附后）。通過(guò)驗(yàn)算可得出以下規(guī)律：3.1 按高規(guī)附錄C進(jìn)行受剪抗震驗(yàn)算，即使柱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)相差20MPa，而節(jié)點(diǎn)區(qū)用樓蓋混凝土強(qiáng)度等級(jí)澆注，其節(jié)

5、點(diǎn)核心區(qū)截面的受剪承載力仍可以滿足要求。3.2 在偏心受壓驗(yàn)算中，當(dāng)梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)比柱低5MP a時(shí)，其受壓強(qiáng)度可以滿足要求；當(dāng)兩者的混凝土強(qiáng)度等級(jí)相差10MPa及以上時(shí)，其受壓強(qiáng)度不滿足要求。3.3 當(dāng)梁板比柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)低10MPa及以上而仍用梁混凝土澆注節(jié)點(diǎn)區(qū)，則對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)必須采取措施。從偏心受壓公式N 0.9（fc A corf y As2fy A sso）中的3項(xiàng)抗壓數(shù)值來(lái)看，第1項(xiàng)即節(jié)點(diǎn)區(qū)截面混凝土抗壓強(qiáng)度是不可變更的；第3項(xiàng)即箍筋提供的抗壓強(qiáng)度所占的比例最小，且一般設(shè)計(jì)不可能改變節(jié)點(diǎn)區(qū)的配箍規(guī)格；第2項(xiàng)即節(jié)點(diǎn)區(qū)豎向鋼筋提供的抗壓強(qiáng)度所占比例較大，且若采用HRB400鋼（fy

6、=360N/mm2）來(lái)增加節(jié)點(diǎn)區(qū)的豎向配筋率則可顯著提高其抗壓強(qiáng)度。4 施工措施考慮到梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)需要處理的都在高層建筑的下部，該區(qū)段的柱主筋配率一般接近或略大于1%，因此根據(jù)以上規(guī)律可將節(jié)點(diǎn)區(qū)的施工措施歸納如下：4.1 當(dāng)梁板與柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)僅相差5MPa時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)完全可以與樓蓋一起澆注；4.2 當(dāng)梁板比柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別低于10MPa和15MPa時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)需增設(shè)豎向短筋，其數(shù)量分別為柱主筋配筋量的50%和100%。4.3 當(dāng)梁板比柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)低20MPa及以上時(shí)，再靠增設(shè)節(jié)點(diǎn)區(qū)豎向短筋來(lái)提高其抗壓強(qiáng)度已不可行，其原因一是無(wú)法布筋，二是短筋數(shù)量太大。此時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)需采用與柱同等級(jí)混凝

7、土單獨(dú)澆注，雖然有一定的施工難度且需有較嚴(yán)密的施工組織措施，但所占的分量不很大，仍可以接受。偏心受壓計(jì)算公式中沒(méi)有體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)區(qū)各方向水平梁對(duì)其提高強(qiáng)度的影響，事實(shí)上該影響是存在且有效的，尤其中柱節(jié)點(diǎn)通常有兩向梁對(duì)其約束產(chǎn)生的效果較為顯著。正如抗剪驗(yàn)算中考慮“正交梁的約束影響系數(shù)”一樣，同等條件下中柱的抗剪承載力是邊、角柱的1.3倍左右。上述施工措施雖未將中柱、邊柱、角柱加以區(qū)分，但事實(shí)上應(yīng)有所不同。筆者認(rèn)為，上述施工措施可以針對(duì)邊柱和角柱節(jié)點(diǎn)區(qū)而言，如系中柱節(jié)點(diǎn)區(qū)，則可將各條措施中梁柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)的差異各提高5MPa。該結(jié)論的依據(jù)雖是定性而不是定量的，但從充分發(fā)掘中柱節(jié)點(diǎn)的抗壓潛力，并考慮現(xiàn)場(chǎng)

8、施工方便性的角度而言，它是可行且科學(xué)的。綜上所述，節(jié)點(diǎn)區(qū)的施工措施可用表1簡(jiǎn)示。表1 節(jié)點(diǎn)區(qū)施工措施表梁柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)相差級(jí)別 邊柱、角柱節(jié)點(diǎn) 中柱節(jié)點(diǎn)5MPa（一級(jí)） 不需特殊處理 不需特殊處理10MPa（二級(jí)） 加插短筋（柱主筋數(shù)的50%） 15MPa（三級(jí)） 加插短筋（柱主筋數(shù)的100%） 加插短筋（柱主筋數(shù)的50%）20MPa（四級(jí)） 需用柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)澆注 加插短筋（柱主筋數(shù)的100%）25MPa（五級(jí)） 需用柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)澆注注）柱主筋采用、級(jí)鋼筋，配筋率1%；加插短筋采用級(jí)鋼筋（fy=360N/mm2）。5 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的合理取值梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的強(qiáng)度驗(yàn)算和施工處理同時(shí)也涉及到

9、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)中豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)的合理取值問(wèn)題，其合理與否必須符合以下原則： 5.1 整個(gè)工程的豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)種類不宜太多，一般為8層左右變1個(gè)等級(jí)，且與豎向構(gòu)件截面的變化錯(cuò)層同步。5.2 水平構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)取值要符合規(guī)范要求，同時(shí)要與豎向構(gòu)件相配搭，使施工處理簡(jiǎn)單化，盡量避免或減少節(jié)點(diǎn)區(qū)單獨(dú)澆注混凝土。根據(jù)上述原則，有關(guān)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的確定，對(duì)于諸如樓層數(shù)分別為30層（H<100m）、40層 （H140m）和55層（H190m）的高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其豎向構(gòu)件及水平構(gòu)件二者間混凝土強(qiáng)度等級(jí)的搭配，下面的取值可能是較合理和科學(xué)的（括號(hào)內(nèi)為樓層混凝土等

10、級(jí)）：30層：C40(C30)C35(C30)C30(C25)C25(C25)；40層：C50(C35)C45(C35)C40(C30)C35(C30)C30(C25)；55層：C60(C35)C55(C35)C50(C35)C45(C35)C40(C30)C35(C30)C30(C25)；或C60(C40)C60(C40)C50(C40)C50(C40)C40(C30)C40(C30)C30(C30) C30(C30)。分析以上高層建筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)的配搭，對(duì)于30層高層建筑，節(jié)點(diǎn)區(qū)需要加短筋的僅為1/4樓層；對(duì)于40層高層建筑，則為3/5樓層；對(duì)于55層高層建筑，第1方案節(jié)點(diǎn)區(qū)需單獨(dú)澆注混

11、凝土的為2/7，節(jié)點(diǎn)加短筋的為3/7，第2方案節(jié)點(diǎn)區(qū)需單獨(dú)澆注混凝土的1/4，節(jié)點(diǎn)加短筋的為1/2（后一方案的優(yōu)點(diǎn)在于混凝土強(qiáng)度等級(jí)種類最少，僅有4種且為完整等級(jí)）。至于節(jié)點(diǎn)區(qū)加短筋的做法，在柱頂梁底標(biāo)高處預(yù)插短筋，其插入深度及突出梁面各300mm，位置首選復(fù)合箍筋的交叉點(diǎn)處，當(dāng)交叉點(diǎn)少于短筋根數(shù)時(shí)則另加選取靠近柱主筋的內(nèi)側(cè)位置，布筋原則是均勻?qū)ΨQ，如圖1所示。圖1 節(jié)點(diǎn)區(qū)加插短筋的構(gòu)造6 經(jīng)濟(jì)分析在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，節(jié)點(diǎn)區(qū)加插短筋所增加的用鋼量對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)是微不足道的，如果攤銷到整個(gè)工程則更是微乎其微。以8×8m柱網(wǎng)、柱截面bh=800×800，主筋配筋率為=1%為例，則

12、中柱、邊柱、角柱單位面積所需的用鋼量以及攤銷到整個(gè)工程的用鋼量如表2所示（攤銷用鋼量中，以中柱占2/6，邊柱占3/6，角柱占1/6計(jì)）。從表2可以看出，節(jié)點(diǎn)區(qū)加插筋所增加的用鋼量占整個(gè)工程用鋼量的比例小至幾乎可忽略不計(jì)，因此以消耗工地上一些準(zhǔn)備棄用的邊材廢料而換取節(jié)點(diǎn)區(qū)澆注混凝土的方便，無(wú)論從哪個(gè)角度衡量都是值得的。當(dāng)然，節(jié)點(diǎn)區(qū)加插短筋所花費(fèi)的費(fèi)用要比節(jié)點(diǎn)區(qū)采用柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)單獨(dú)澆注高一些，但正如前面所述，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土單獨(dú)澆注既存在許多困難，掌握不好還會(huì)導(dǎo)致混凝土質(zhì)量事故，因此采取在節(jié)點(diǎn)區(qū)加插短筋的做法來(lái)保證節(jié)點(diǎn)區(qū)的承載力無(wú)疑是一種簡(jiǎn)易且科學(xué)的方法，設(shè)計(jì)方和施工方肯定樂(lè)于采用，即使是投資方，

13、如能從大處著眼也應(yīng)該是能夠接受的。 表2 各柱位節(jié)點(diǎn)區(qū)用鋼量計(jì)算結(jié)果單位面積用鋼量（kg/m2） 整個(gè)工程攤銷量（kg/m2） 柱位置 中柱 邊柱 角柱 30層 0.234 0.468 0.936 1.872 40層 0.374 0.936 1.872 3.744 50層 0.267- - - - 0.468注）、分別指插筋為主筋數(shù)量50%和100%的情況。7 計(jì)算實(shí)例7.1 偏心抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算N=Nfc A （1）N0.9(fc Acorfy As2fy Asso) （2）7.2 抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算Vj= jbM b (1- h bo - as ) （3） H bo - as H c - h b V

14、j 1 (1.1j ft bj hj0.05j N bi )fyvAsvj h bo- as （4） rRE bc s 我們對(duì)某工程實(shí)例的梁柱節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度采用上述公式分別進(jìn)行計(jì)算和比較，其結(jié)果列于表3。表3 不同條件下梁柱節(jié)點(diǎn)偏心抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果驗(yàn) 算 條 件 偏心抗壓驗(yàn)算結(jié)果(kN) 抗剪驗(yàn)算結(jié)果(kN)式（1） 式（2） 式（3） 式（4） 柱bh=1000×1000,主筋=1.0%(級(jí))； 節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋12100,肢距200; 梁bh=500×600,C25,下=0.6%,上=1.2%。 12155（C30） 14188（不加短筋） 14195（C35） 1580

15、8（加50%短筋） 16235（C40） 17428（加100%短筋） 17935（C45） 1287 3346 柱bh=1000×1000,主筋=1.0%(級(jí))； 節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋12100,肢距200; 梁bh=500×600,C30,下=0.6%,上=1.2%。 14195（C35） 16188（不加短筋） 16235（C40） 17757（加50%短筋） 17935（C45） 19378（加100%短筋） 19635（C50） 1319 3624 柱bh=800×800,主筋=1.0%(級(jí))； 節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋10100,肢距200; 梁bh=500×600,C25,下=0.6%,上=1.2%。 7779 （C30） 8542（不加短筋） 9034 （C35） 9453（加50%短筋） 10390（C40） 10364（加100%短筋） 11478（C4