高層框剪結構梁柱節(jié)點混凝土強度驗算

PAGEPAGE8高層框剪結構梁柱節(jié)點混凝土強度驗算研究[摘要]運用多軸強度理論和柱、梁縱向受力鋼筋對節(jié)點強度提高理論進行計算，進而對邊柱、角柱節(jié)點實際軸壓應力計算分析，并對梁柱節(jié)點混凝土進行抗震承載力復核驗算，得出了柱與梁板混凝土強度相差≤3級時，可隨梁板混凝土一起澆筑的結論。[關鍵詞]高層建筑；框剪結構；梁柱節(jié)點；多軸強度；抗震承載力。在高層框剪結構抗震設計時，主動控制梁柱節(jié)點附近梁端和柱端的承載力設計值，通常使柱混凝土強度高于梁板混凝土強度2~3級（即10~15MPa），是為了控制柱的破壞不致于在梁的破壞前發(fā)生，體現了“強柱弱梁”的主動控制設計原則，使抗震設計具備了預控能力，是一項很大的科技進展。但梁柱節(jié)點核心區(qū)是就柱還是隨梁板混凝土澆筑？一直是建筑工程界專家學者的一個熱門話題?！痘炷两Y構設計規(guī)范》，GB50010-2002（以下簡稱新規(guī)范）未給出相關規(guī)定，至今也尚無先進可靠的定量研究，一直困擾著建筑工程界設計與施工技術人員。非常有必要進行此方面的設計驗算研究，以解決梁柱節(jié)點與梁板混凝土一起澆筑的關鍵性技術。1、國內外梁柱節(jié)點設計現狀與分析1.1國內梁柱節(jié)點設計現狀與分析1.1.1梁柱節(jié)點與梁板混凝土等強度澆筑（1）當四邊均有梁約束的梁柱節(jié)點核心區(qū)，柱與梁板混凝土強度相差≤2級時，可隨梁板混凝土一起澆筑。這只是一種定性的做法，尚無科學的理論計算證明；（2）除上述約束條件外（即邊柱與角柱），如柱與梁板混凝土強度相差1級時，梁柱節(jié)點核心區(qū)可隨梁板混凝土一起澆筑。設計與施工實踐證明，柱與梁板混凝土強度相差1級的高層框剪結構設計幾乎不存在。因為為使框架柱符合軸壓比設計限值和盡量縮小柱斷面尺寸的設計要求，柱的強度等級一般采用C35~C50，而作為抗彎構件的梁板，提高混凝土強度等級對提高抗彎強度和降低配筋率貢獻甚微，且極易導致收縮開裂。經抗彎、抗剪強度驗算對比與優(yōu)化證明，梁板混凝土強度采用C25為最佳技術經濟指標，故通常設計采用C25。所以，柱與梁板混凝土強度至少相差2級。（3）采取構造強化措施，如在梁柱節(jié)點核心區(qū)附加芯柱、型鋼、插豎向短筋或在節(jié)點區(qū)平面外附加豎筋和箍筋做混凝土加腋處理等，可使梁柱節(jié)點核心區(qū)隨梁板混凝土一起澆筑。這也只是定性做法，經構造處理后，節(jié)點核心區(qū)混凝土強度能提高多少？尚無計算方法，況且此區(qū)域的梁下部縱向受力鋼筋錨固搭接、復合箍筋和拉筋的設置，導致鋼筋縱橫交錯與密集，混凝土澆搗難度本來就很大，如采取上述構造措施會嚴重影響澆搗質量和鋼筋握裹強度，將使其事與愿違，造成質量事故。所以，目前很少有人采用這種設計與施工方法。1.1.2梁柱節(jié)點與柱混凝土等強度澆筑如設計梁柱中節(jié)點混凝土強度相差2級以上，或梁柱邊、角節(jié)點混凝土強度相差1級以上時，從柱結構外邊緣以外0.5h處（h為梁截面高度），作為混凝土強度分界線，利用密目鋼絲網分隔，在梁板混凝土澆筑完畢，分界處混凝土初凝前，采用柱混凝土澆筑節(jié)點核心區(qū)。這是目前國內常見的設計與施工方法。實踐證明，這種方法施工難度大，而且澆筑梁板混凝土時，水泥漿極易淌入下柱端施工縫處，且梁柱節(jié)點區(qū)鋼筋密集，不便排除水泥漿，形成薄弱結構層，嚴重降低下柱端承載力。此時，梁端0.5h區(qū)段為柱混凝土，無形中強化了梁端的抗彎強度，導致在地震荷載作用時，塑性鉸形成滯后，不利于梁端延性的發(fā)揮和地震能的吸收，因應力集中而使核心區(qū)混凝土剪切開裂，嚴重降低抗震性能，有違于“強柱弱梁、強剪弱彎”的設計原則。1.2國外梁柱節(jié)點設計現狀與分析1.2.1美國混凝土規(guī)范AC1318-99的規(guī)定如果柱混凝土強度為梁板混凝土強度1.4倍（約2個強度等級）以上時，則應采取下列措施之一。（1）同本文1.1.1條（3）款做法；（2）同本文1.1.2條做法；（3）當四邊均有高度近似相等的梁，可將梁柱節(jié)點核心區(qū)混凝土與梁板同時澆筑，并按下式計算節(jié)點核心區(qū)混凝土的折算強度?？?伏列ce汗=0.75籮停?扇齒cc仿+0.35亦裕?烏竟cb番≤豈?艷搬cc獅式伶中敏,迷意?誓箱ce汁為梁柱節(jié)點核沖心區(qū)的混凝土醒折算強度；共?暖鉤cc凡為柱混凝土強斤度；爛?爹付cb見為梁板混凝土蠻強度。都例如詳?視匹cc界=C5抬0稼，毫?憂異cb膊=C2燭5路，梁柱節(jié)點核臨心區(qū)采育用蠻C2謀5魚混凝土澆筑，辦則梁柱節(jié)點核虧心區(qū)的折算強輸度穩(wěn)?概茄ce畢=0.75親×50+0.拉35×25=劇46.25M寬P縫a蛙，即可而按衣C4伸6娃的混凝土強度茫驗算梁柱節(jié)點古核心區(qū)的承載澡力，如滿足抗盞震承載力要求媽，可采用梁板被混凝土澆筑節(jié)易點核心區(qū)，否梁則，應采用柱腦混凝土澆筑節(jié)設點核心區(qū)。斷狗加拿大混凝土搞規(guī)束范大CSAA23華.3-9慰4躁的規(guī)定計算公甜式為：奪?舊扁ce礎=0.25悼?蒼們cc與+1.05傳?齒拴cb?！芩?僅躁嶄魄按上述相同設傾定條件計算啊?巡灑ce乳=0.25×只50+1.0六5×25=3里8.75MP芬a冰，即可近似的貞按扇C4鉤0臘的混凝土強度趨驗算梁柱節(jié)點蒙核心區(qū)的承載和力。淹美國和加拿大?；炷烈?guī)范規(guī)學定的計算公式授，有一個共同回特點，即當柱名四邊均有高度列近似相等的梁別為前提條件，困那么邊柱和角小柱的梁柱節(jié)點胖核心區(qū)混凝土海強度如何計算蟻？尚未做出計蔬算規(guī)定。經驗勻算，只有中柱家在柱混凝土強英度是C3勢5趣，梁板混凝土伸強副度店C2吐5驅時脹,結節(jié)點核心區(qū)采琴用梁板混凝土牽澆筑方可滿足取抗震承載力要矩求（已考慮軸牧壓比限值）。多實際上仍然沒帽有解決梁柱節(jié)尾點設施工縫或湯采取構造補強識而導致的施工里難度加大，質皆量難以保證，駕影響框架體系甘整體性的缺陷療。東2粒、梁柱節(jié)點受驅力分析推經過我國持續(xù)育多年的試驗研閑究和工程實踐羅，目前對梁柱談節(jié)點的承載力披機理和破壞規(guī)舉律已有了比較痛深入和全面的禁了解。穴2.1圾馬邊柱區(qū)梁柱節(jié)項點受力分析搏邊柱區(qū)梁柱節(jié)叮點，有的責為秧“懶L角”件形平面（角柱驚），即僅有柱則的兩個非對稱進側面與梁連接可，有的性為亭“淚T肺”鵲形平面（邊柱愿），即柱的兩去個對稱面和與罰其相垂直的另冊一面與梁連接誼。在重力荷載悅作用下，梁端共承受負彎燦矩虛M幸b淡，并傳入節(jié)點質，此負彎矩由折上、下柱端的搶彎矩平衡；梁藏端還同時傳入備剪陷力敬V擱b竹，但相對較小世。節(jié)點核心區(qū)門的開裂和損傷材可能性很小，鵝而邊柱節(jié)點軸勢力傳遞處于兩訊軸壓應力工作委狀態(tài)，使節(jié)點對核心區(qū)混凝土冷的軸心抗壓強盒度有較大提高扛，并設計按上須、下柱端箍筋乘加密區(qū)設置箍困筋（一般配箍約為醋≥暴Φ核10猛@艙≤兩10貧0拿），具有強大扯的圍箍效應。叮故主要矛盾是炭節(jié)點區(qū)框架梁蓬上部縱向受力施鋼筋的錨固必勢須滿足負彎矩些作用下抗拉承灰載力要求，以脊防止震害造成境梁柱邊界產生壤過大的裂縫。潛2.2絞摘中柱梁柱節(jié)點醉受力分析紡中柱梁柱節(jié)點汁四邊均有梁連庭接，四側梁傳傍遞本層荷載引鞋起的剪端力紙V挎br搶、東V兔bl船和梁端彎煩矩肉M就br腐、市M蠅bl州。通常情況下悠，節(jié)點左、右鍋跨度為等跨模介數化設計，此劈節(jié)點由四邊梁禾傳遞的內力（奮彎矩及剪力）顯基本平衡，由折房間分隔和活輕荷載不均衡導正致的不平衡內惹力也很小，故拖梁柱節(jié)點核心伯區(qū)不會開裂或你損傷，而且此購節(jié)點軸力傳遞插處于三軸壓應擾力工作狀態(tài)，令使節(jié)點核心區(qū)偽混凝土的軸心抱抗壓強度成倍芽提高。只是不垮平衡彎矩形成銅縱向受力鋼筋臂的應力差，由爆節(jié)點中的混凝天土粘結錨固力最承擔。主要矛頸盾仍然是上、李下縱向受力鋼牙筋的錨固承載穗力問題。涉3蘿、多軸強度設鋼計理論的建立夸框架結構的梁你柱節(jié)點核心區(qū)丸，作為邊柱節(jié)摧點（不含角柱域）在兩側水平活框架梁的約束犬下，實際處在坦二軸壓應力狀癢態(tài)下工作，作碎為中柱節(jié)點在起四周水平框架首梁的約束下，叛實際處在三軸閑壓應力狀態(tài)下喬工作。按照多愛軸強度理論，綁梁柱節(jié)點核心園區(qū)混凝土傳遞鑒軸向力過程產恨生軸向壓縮和袋橫向膨脹，使倒梁端截面承受肺膨脹應力，此華膨脹應力受到書框架梁的約束單而產生被動的片側向壓應力，得使其強度大幅障度增長。由結撒構平衡理論可支知，梁端截面端在膨脹應力作革用下在被破壞沙之前，其膨脹子應力與被動側泰壓應力相等，裳并且與軸向應軍力的大小成正時比線性關系。欠4柄、多軸應力狀條態(tài)混凝土強度巖研究現狀壞我國在多軸應件力理論方面，敗經多年的試驗蠅研究和科研積繩累已具備了應廊用于實踐的能泡力，但目前只證是作為建議在皺新規(guī)范附嚷錄植C豈中列出，尚未插在其相關條文梢中作出規(guī)定，悠故在設計實踐昌中尚未得到應逮用。國際上目誤前已有類似的廉規(guī)范規(guī)定，并辱已成功的在工洽程實踐中得到條推廣應用。銜5勝、梁柱節(jié)點混械凝土強度設計索驗算圾5.歲1肉驗算條件跡處于多軸應力疑狀態(tài)混凝土結錫構局部的梁柱貧節(jié)點核心區(qū)，翻在由線彈性分匠析、非線彈性痛分析或試驗方姨法求得應力分乞布和混凝土主兆壓應力丟下剝（早i=志1妖、拆2蔑、逮3申）肝之后，可按混駛凝土的多軸強照度進行驗算，氣?敢堡牛i旨?丸≤歲?回?椒?奔?謝i媽?斬，式中賭牧簽為混凝土的主怪應力值，受拉壞為正，受壓為較負，且巡?啊猴1肢≥慈?聰雙2腰≥仔些晌，式卷中擺?偶i況為混凝土的多推軸強度，受拉寄為正，受壓為蛾負，且屋?氣吸址裁≥辨魚蠶他2燦≥盡怪返3國。哈?修我國已有經多父年試驗研究統(tǒng)燕計確定的混凝害土二軸強度包協(xié)絡圖和混凝土垃三軸抗壓強度期曲線圖，（見獵新規(guī)范附逼錄膠C葉），因此，驗摧算多軸強度關愈鍵在于確定壓蜂應力狀態(tài)下混熊凝土的多軸壓媽應力比值，而傍驗算本身可通尺過查核圖表曲及線來完成。臥5.旬2認多軸壓應力比揚值的確定勞根據新規(guī)范規(guī)楊定，當溫度挎在物0側℃唇~10楊0林℃姓范圍內時，混徑凝土的泊松比犁ν漫c元可采何用暮0.撒2伏。為方便計算佳，這里設柱的魯軸向正應變慎壟3柳=貞1懶，梁的橫向正胸應變瓶摸2芬=柄?χ惡，則醬ν講c廉=驗?χ膜/慣利3疾=0.門2環(huán)，陪?χ趁=禍配偽×0.2=1偵×0.2=0浪.剪2發(fā)，故莖芽2輝:川莫3重=慚0.2努:建1榮。設梁柱節(jié)點邁核心區(qū)采用梁散板混凝土澆筑比，喘故妹E浙2嚴=E縫3突，伶糊2桐/脾悲3世=E袖2秀銜2禮/E打2獻棕3頌=但私2千/穿詢3喂=拋0.2:守1袋，即慨威2鏈:受喪3無=-0.2:趴-1梯。傲式中：共磚典、日陶勸、擊E派2傻和姿摸吩、桌蠢3允、叨E綿3嘴分別為梁板和喘柱的壓應力、拳壓應變與彈性油模量?？?.集3艇邊柱節(jié)點混凝架土強度組合驗似算蜂拳邊柱節(jié)點二軸滔壓應力狀態(tài)的儲強度驗算趟采用混凝土二年軸強度包絡圖呀進行驗算，以品相對套值庭?魚i督/錄?碧c曾表達揚，咐?輩i沿、濫?萬c化分別為二軸和之單軸軸心抗壓財強度速（大i=棋2確、瘡3糊）（見久圖腰1傻）池解：在混凝土孔二軸強度包絡脂圖的第三象限突內，毛作僑σ秒2俘:女σ柄3族=-0.2:甘-菠1招的射線，支交怖E燙F延線揉于奶E遠點，其相對座煮標值為二軸抗匹壓強度數觸值島?誘3匪=1.跟2貍?熟c例飄務（吳1鬧）端戀邊柱節(jié)點內梁仙柱縱向受力筋蔑對承壓面積提凡高系數的計算衛(wèi)梁柱節(jié)點核心勇區(qū)混凝土的抗恭壓強度應考慮敞梁柱縱向鋼筋慕對其有提高作董用的因素。筑（區(qū)1摸）設計計算參重數，設面積提瘡高系數幫為舉K銹，梁柱節(jié)點混穴凝土碗為最C2頁5遠，其彈性模繳量彎E建c謀=2.8×1猾0節(jié)4曉，剃軸心抗壓強益度繁?做c路=11.9N愁/mm威2加，鋼筋畢為微HRB33霉5悠或勇HRB40叨0坦，其彈性模愿量末E停s怨=2.0×1邊0洽5奶；柱縱向鋼筋高配筋率按受力盤驗算與抗震構迷造優(yōu)化最佳值授取收ρ陰1橋=1.5薄%伴，梁端伸入支麻座的縱向鋼筋胖（含縱向構造諷和抗扭鋼筋）念配筋率取最佳西值撤ρ榨2走=1.5巨%晝，即龍ρ愿=斷ρ翅1拖+儲ρ河2決=3冬%狗。曾（佩2辜）梁柱節(jié)點混悲凝土面積提高準系數采用下式君計算：鍬K=bh+居ρ蛾bh(n-1板)/bh=1爐+閱ρ糊(基n-1)=1爪+0.03(精E檔s糠/E盜c鵝-1)=1+銳0.03(7玩.14-1)望=1.185嘗(2)往式中反：應b艘h杜為柱斷面面積滑；靠n碑為鋼筋彈性模斧量與混凝土彈圖性模量的比值藝；損ρ莖為梁柱節(jié)點內棵梁柱縱向鋼筋另配筋率之和。逗經上述計算，閱梁柱節(jié)點核心堪區(qū)實際軸心抗顛壓強些度竹?葬3慧′降=聰1.銀2滿?順c逐k=1.2×夢11.9×1碌.185=1扯6.9N/m建m趴2艦（進＞總C3道5狗）峰塊臺壓霞坡煎曠（爪3唇）壁儀邊柱節(jié)點混凝鳴土實際軸向承火載力復核驗算粘設計與施工實膊踐證明，通常絲設計的邊柱及項角柱軸壓比限膚值計算時，均皂按考慮地震作舌用組合的框架賽中柱承擔的樓江面荷載確定的愛柱軸向壓力設餓計暖值箭N味確定，故邊柱仆、角柱的全截濱面面增積測A團、混凝土軸心斥抗壓強逼度齒?怖c惕、縱向配筋率稀和構造要求等昂與中柱基本一枝致，而邊柱和悟角柱實際承擔擺的軸向壓力分洋別為中柱槳的慰1/永2祥和瞎1/漏4甩。島（潑1范）復核驗算參自數，設邊柱和蔽角柱混凝土強謎度其為濟C4胡0扮，啦?獻c1秤=19.1N炭/mm狼2使，梁板混凝土嘴強度術為俊C2慕5到，巾?析c2辰=11.9N啦/mm曉2煌；邊柱節(jié)點采那用日C2綁5址混凝土澆筑，箱實際軸心抗壓幅強度按公式良（腎3抖）計算結宣果踐?趙3沃′捉=16.9N怖/mm歸2膀，即為節(jié)點混股凝土實際承載籮力。就（欠2尋）邊柱節(jié)點軸成向承載力復核廉驗算嫩1排）邊柱實際承雹受的軸向壓應夏力兆猾佳棉=1/悔2刊?丙c1烈=0.5×1回9.1=9.墳55N/mm邁2屯（舞4沫）殿2宮）邊柱節(jié)點軸控向承載尖力碑?俗3頭′耀按下式復核驗亂算：陣?壞3泄′≥舒?zhèn)萎嫶┍?展16.9盼N/mm采2航≥架1.5資×是9.55蕩N/mm躍2潛=14.3團N/mm王2納散柄（癢5穩(wěn)）扶式中：定k辭為承載力安全戲系數驗取叔1.星5鋸（已考慮地震鐵作用組合）。喪邊柱節(jié)點冤按圍C2理5故混凝土澆筑滿愈足抗震承載力巴要求，且有辟k盤＞火1.5漏的安全儲備。侍5.4雪角柱節(jié)點混凝改土強度驗算滴（僵1案）角柱節(jié)點受農力分析，角柱倆節(jié)點的兩個非殖對稱側面與水酬平框架梁連接斤，根據形狀改蝴變比能理論，駁在柱軸向壓力箭傳遞過程，兩女側非對稱框架艷梁對梁柱節(jié)點燒區(qū)產生的側向雙被動壓應力從承無梁約束側流潛失，故角柱節(jié)佳點受力狀態(tài)應莫按單軸軸壓受呆力考慮。但其坡實際承受的軸匯向壓力僅為中獸柱戲的當1/朵4迅左右（已考慮太地震作用組合銜）。綱（袋2酬）設計計算參嗓數，與本文于5.3.推3還條數（虧1臂）款相同。針（受3頭）角柱實際承際受的軸向壓應嶺力丸σ泰c律″虹按下式計算屈灶厭″掏=1/助4槍?后c1朝=0.25×恨19.1N醉/mm難2河=伙4.78球N/mm怪2魚臥農填（更6邁）屯（飽4鍋）角柱節(jié)點軸哪向承載力累?絮c2棚按下式復核驗關算：欲?漏c2昂≥化k柳σ笨c擁″鄰=11.9N緩/mm怒2鵝＞成1.5×4.晨78N/mm臘2注=7.17N剩/mm飾2貼泉(7)蒜角柱節(jié)點按梁炭板萬C2帶5踏混凝土澆筑滿尊足抗震承載力處要求，且融有倘k寺＞通2放的安全儲備。兼5.5井中柱節(jié)點混凝橋土強度驗算碗（莫1崇）已知中柱的詳梁柱節(jié)點采用雷梁舍板明C2蹲5?；炷翝仓\?肯c2銷=11.9N招/mm覽2市,己柱的設計強度悶等級權為紹C4如0厘，蝶?臣c1塵=19.1N間/mm顆2案。揪（腫2投）三軸壓應力綢狀態(tài)下應力比朋值的確定：許按遮5.權1舍條驗算條件肆脂1麻≥往?夢鍵2丑≥玩商匠和兇5.雄2襯條多軸壓應力陜比值的確定博σ習2細:訊σ扒3運=-0.2代:-眉1細，因通榆方冶憂太追紋存好擴鈔猜田基缸:探畏熔:堤毯壩婚津=-0.2:勾-0.2:-難1男，按近圖爽2拉所示計算其三在軸抗壓強度值財。秀(3爪)釀解：已知匠甲患/輔賠再通=0.2逗,沿由劈圖宇2換查出比值灌?先3枝/甘?陸c武2誼=3.0