高層框剪結構梁柱節(jié)點混凝土強度驗算

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(xiàn)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。《混凝土結構設計規(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(xiàn)狀與分析1.1國內梁柱節(jié)點設計現(xiàn)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(xiàn)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。虧?凍油ce慶=0.仇75駐挑?醫(yī)異cc材+0.爽35槐糖?犁乘cb攝≤?廳記cc宅式北中澇,悶殲?導顯ce跌為梁柱節(jié)初點核心區(qū)飼的混凝土棟折算強度壤；籌?兼售cc害為柱混凝扇土強度差；恭?搶遣cb膽為梁板混內凝土強度疑。賭例蜘如成?瘦茂cc求=C5肉0蠟，扇?頑黎cb顛=C2哭5訂，梁柱節(jié)球點核心區(qū)弱采禁用帽C2予5橫混凝土澆督筑，則梁抄柱節(jié)點核錢心區(qū)的折拔算強鎮(zhèn)度庫?做牛ce壞=0.睜75×5助0+0.死35×2勻5=46落.25M如P轟a鳳，即可塵按拖C4氏6四的混凝土角強度驗算鋒梁柱節(jié)點杜核心區(qū)的枝承載力，詳如滿足抗塌震承載力賽要求，可馳采用梁板蹄混凝土澆藍筑節(jié)點核塘心區(qū)，否唉則，應采捐用柱混凝蛇土澆筑節(jié)寸點核心區(qū)龜。艙1.2.衛(wèi)2咸加拿大混逝凝土規(guī)志范合CSAA維23.3丟-9秩4殃的規(guī)定計施算公式為貌：隱?浩筑ce噸=0.2弓5疤?厲蜜cc騾+1.0獄5犬?港獨cb墻≤?距宅顧姓按上述相蜜同設定條潑件計掉算衣?五撞ce哈=0.2簽5×50沉+1.0氣5×25難=38.冰75MP歸a冰，即可近當似的課按往C4這0亮的混凝土穗強度驗算達梁柱節(jié)點單核心區(qū)的套承載力。頃美國和加鳥拿大混凝快土規(guī)范規(guī)甲定的計算罰公式，有摸一個共同忍特點，即隊當柱四邊騰均有高度露近似相等禮的梁為前北提條件，閘那么邊柱他和角柱的蒼梁柱節(jié)點玻核心區(qū)混原凝土強度別如何計算阻？尚未做擦出計算規(guī)字定。經驗寇算，只有限中柱在柱肅混凝土強使度而C3麗5輸，梁板混提凝土強熟度廊C2杏5頑時嶼,紋節(jié)點核心傳區(qū)采用梁戰(zhàn)板混凝土捉澆筑方可撥滿足抗震變承載力要略求（已考咸慮軸壓比決限值）。譜實際上仍滋然沒有解奏決梁柱節(jié)愛點設施工粘縫或采取忘構造補強顯而導致的圣施工難度熔加大，質憂量難以保括證，影響慣框架體系悅整體性的利缺陷。歡2心、梁柱節(jié)跪點受力分哨析東經過我國付持續(xù)多年船的試驗研龜究和工程始實踐，目餅前對梁柱學節(jié)點的承幻載力機理香和破壞規(guī)俊律已有了治比較深入瞇和全面的嶼了解。惜2.1均魄邊柱區(qū)梁比柱節(jié)點受辯力分析磚邊柱區(qū)梁抓柱節(jié)點，侮有的碧為夕“修L引”蝴形平面（絕角柱），受即僅有柱裳的兩個非糊對稱側面寧與梁連接持，有的診為泡“吳T幻”臨形平面（熟邊柱），鹿即柱的兩乖個對稱面晉和與其相責垂直的另偏一面與梁癢連接。在言重力荷載乒作用下，鄙梁端承受許負彎殲矩俯M凝b愿，并傳入敵節(jié)點，此吩負彎矩由織上、下柱胃端的彎矩窗平衡；梁臟端還同時奴傳入剪尿力濃V支b遍，但相對笑較小。節(jié)推點核心區(qū)專的開裂和湯損傷可能間性很小，揪而邊柱節(jié)謠點軸力傳刑遞處于兩編軸壓應力壤工作狀態(tài)平，使節(jié)點皆核心區(qū)混裹凝土的軸肢心抗壓強搏度有較大朽提高，并創(chuàng)設計按上估、下柱端包箍筋加密瀉區(qū)設置箍綢筋（一般檔配箍確為磚≥炭Φ菊10門@嫌≤栗10箏0湊），具有挺強大的圍勿箍效應。郵故主要矛訓盾是節(jié)點索區(qū)框架梁沫上部縱向披受力鋼筋西的錨固必牢須滿足負煩彎矩作用乳下抗拉承絞載力要求蛇，以防止平震害造成康梁柱邊界揚產生過大矩的裂縫。恭2.2罷促中柱梁柱輸節(jié)點受力東分析起中柱梁柱拍節(jié)點四邊宅均有梁連勻接，四側塞梁傳遞本位層荷載引叮起的剪唱力號V芬br潛、饅V段bl蔬和梁端彎惜矩遺M鵲br伯、憂M佛bl星。通常情娘況下，節(jié)村點左、右槍跨度為等嘉跨模數(shù)化京設計，此變節(jié)點由四漫邊梁傳遞店的內力（石彎矩及剪竹力）基本菜平衡，由余房間分隔魔和活荷載案不均衡導查致的不平燕衡內力也印很小，故害梁柱節(jié)點殿核心區(qū)不幟會開裂或傅損傷，而稅且此節(jié)點得軸力傳遞葡處于三軸冬壓應力工慕作狀態(tài)，脆使節(jié)點核搖心區(qū)混凝爽土的軸心丸抗壓強度筋成倍提高旬。只是不醉平衡彎矩專形成縱向楊受力鋼筋敬的應力差任，由節(jié)點同中的混凝耗土粘結錨兆固力承擔挑。主要矛類盾仍然是廉上、下縱蕉向受力鋼深筋的錨固車承載力問泥題。家3罵、多軸強培度設計理木論的建立匯框架結構允的梁柱節(jié)倒點核心區(qū)播，作為邊癢柱節(jié)點（蛋不含角柱肯）在兩側施水平框架勤梁的約束秤下，實際飛處在二軸篩壓應力狀很態(tài)下工作料，作為中激柱節(jié)點在物四周水平撒框架梁的望約束下，前實際處在淋三軸壓應贈力狀態(tài)下笨工作。按道照多軸強復度理論，愿梁柱節(jié)點曉核心區(qū)混銳凝土傳遞恥軸向力過薦程產生軸頭向壓縮和摧橫向膨脹吃，使梁端蓬截面承受拜膨脹應力協(xié)，此膨脹攤應力受到掏框架梁的臂約束而產管生被動的盤側向壓應杯力，使其追強度大幅鏟度增長。蛇由結構平朵衡理論可醫(yī)知，梁端放截面在膨筍脹應力作冬用下在被刺破壞之前達，其膨脹缸應力與被政動側壓應忙力相等，疤并且與軸更向應力的歌大小成正陳比線性關漫系?；?壺、多軸應良力狀態(tài)混撥凝土強度巨研究現(xiàn)狀極我國在多寶軸應力理縮論方面，乘經多年的插試驗研究跪和科研積顛累已具備碑了應用于丹實踐的能芬力，但目僚前只是作噸為建議在層新規(guī)范附過錄今C擦中列出，哪尚未在其歇相關條文抹中作出規(guī)父定，故在興設計實踐異中尚未得原到應用。首國際上目嚷前已有類遣似的規(guī)范難規(guī)定，并抹已成功的遺在工程實銹踐中得到疤推廣應用腹?？?歪、梁柱節(jié)胃點混凝土摘強度設計任驗算棗5.倆1懸驗算條件丈處于多軸吐應力狀態(tài)解混凝土結斤構局部的推梁柱節(jié)點享核心區(qū)，聞在由線彈聲性分析、島非線彈性敵分析或試含驗方法求脾得應力分牙布和混凝刻土主壓應銀力佩毫塔（器i=摟1咸、揭2亮、曬3惡）澤之后，可啞按混凝土爹的多軸強憲度進行驗肉算，裁?電企怨i亞?鍵≤古?有?漠?鞭?橋i逝?本，式中拍鉤點為混凝土膏的主應力肢值，受拉泰為正，受硬壓為負，退且療?羞治1富≥厭?太箭2冰≥桂肢讓，式遺中奇?膏i彈為混凝土窮的多軸強躺度，受拉棕為正，受況壓為負，伙且冶?從倡污≥局濱扁2絡≥隱顫3蓄。廊?漢我國已有攏經多年試遣驗研究統(tǒng)傷計確定的筑混凝土二奮軸強度包咱絡圖和混脫凝土三軸眾抗壓強度械曲線圖，閘（見新規(guī)在范附衛(wèi)錄稍C皮），因此尾，驗算多賭軸強度關微鍵在于確鼠定壓應力姿狀態(tài)下混誓凝土的多漆軸壓應力圍比值，而劑驗算本身逃可通過查絞核圖表曲縣線來完成坡。例5.啦2恒多軸壓應象力比值的旦確定渣根據(jù)新規(guī)鼻范規(guī)定，瘋當溫度態(tài)在慚0煌℃屬~10凍0贈℃陰范圍內時部，混凝土陡的泊松比欣ν崇c司可采餐用鋒0.爬2熄。為方便獅計算，這鐘里設柱的期軸向正應過變柜伸3潑=炮1存，梁的橫款向正應變箱占2耐=默?χ醫(yī)，則御ν針c核=茶?χ巖/困蝴3嫩=0.燭2菌，兇?χ止=娛榮筆×0.2壓=1×0城.2=0售.筆2蹦，故責拜2愚:水晉3戀=恥0.2驗:擱1線。設梁柱臣節(jié)點核心封區(qū)采用梁迫板混凝土陣澆筑，哥故袋E浴2譜=E戲3傅，蔽窄2貍/沈鉤3郊=E勝2意冰2輔/E飾2麥譽3賢=駝沿2薪/步變3耗=末0.2:睬1罷，即序辯2洽:練問3輪=-0.紫2:-1湖。免式中：若您糞葵、持備廁、帝E而2蘭和聞皇咽、她嗽3壟、師E寶3茶分別為梁傲板和柱的暖壓應力、規(guī)壓應變與保彈性模量魄。子5.帥3冤邊柱節(jié)點倡混凝土強薦度組合驗權算達5.3.矛1紅邊柱節(jié)點蟻二軸壓應旅力狀態(tài)的回強度驗算天采用混凝憤土二軸強風度包絡圖殿進行驗算谷，以相對哄值噴?工i接/蚊?霞c董表達犯，產?癥i右、狼?笨c接分別為二豈軸和單軸刊軸心抗壓橫強度鑼（乏i=水2斃、膽3飲）（見顧圖折1喝）攀解：在混著凝土二軸向強度包絡漸圖的第三鼻象限內，爪作躁σ再2撥:中σ雖3原=-0.剃2:-防1回的射線，述交它E譯F小線舊于貪E羅點，其相激對座標值戰(zhàn)為二軸抗腫壓強度數(shù)齊值魚?閑3掀=1.求2刪?仿c景共停嚼（藏1坦）技5.3.常2令邊柱節(jié)點槐內梁柱縱嫁向受力筋冒對承壓面飯積提高系須數(shù)的計算盒梁柱節(jié)點尊核心區(qū)混顛凝土的抗音壓強度應?？紤]梁柱矩縱向鋼筋招對其有提筆高作用的膽因素。才（搭1老）設計計車算參數(shù)，匙設面積提沙高系數(shù)假為粗K毫，梁柱節(jié)懂點混凝土煎為帶C2棚5尼，其彈性乏模在量傭E縮c咳=2.8械×10爛4芳，捆軸心抗壓派強放度炒?慰c莖=11.即9N/m爺m競2洋，鋼筋陽為元HRB3醒3秀5酬或房HRB4覺0踏0冤，其彈性輩模古量碧E盼s裕=2.0跡×10洪5紅；柱縱向批鋼筋配筋扎率按受力鉛驗算與抗居震構造優(yōu)冠化最佳值年取贊ρ無1螺=1.5按%呆，梁端伸吳入支座的兔縱向鋼筋灑（含縱向幅構造和抗蜂扭鋼筋）乖配筋率取災最佳值阿ρ剖2嗚=1.5壟%汪，即娃ρ辟=否ρ堆1紀+斃ρ帝2疏=3益%找。給（輸2聚）梁柱節(jié)鼓點混凝土熟面積提高舅系數(shù)采用妻下式計算過：刮K=bh爽+推ρ秤bh(n壘-1)/毒bh=1陶+疲ρ淡(勵n-1)想=1+0違.03(減E喬s致/E眨c蹄-1)=伶1+0.竄03(7析.14-漂1)=1挺.185圣(2)筑式中深：思b騰h留為柱斷面囑面積山；談n既為鋼筋彈莊性模量與孝混凝土彈沾性模量的膨比值；柴ρ頃為梁柱節(jié)閘點內梁柱報縱向鋼筋鋤配筋率之潑和。叼經上述計聽算，梁柱夫節(jié)點核心重區(qū)實際軸礎心抗壓強督度賴?旦3襖′什=堵1.著2匪?奉c互k=1.饒2×11情.9×1倚.185跳=16.拿9N/m蒙m筆2炮（送＞龍C3定5跟）估昆房窮郵曉騰畢盈昏（盟3禮）酸5.3.想3糠邊柱節(jié)點掠混凝土實軟際軸向承梁載力復核胞驗算悉設計與施蟲工實踐證刮明，通常立設計的邊遮柱及角柱漸軸壓比限咸值計算時岔，均按考熄慮地震作男用組合的銷框架中柱環(huán)承擔的樓涼面荷載確加定的柱軸濤向壓力設隱計敲值迷N嗓確定，故虜邊柱、角剃柱的全截應面面待積蓮A魯、混凝土巾軸心抗壓飽強系度鑒?崗c蠶、縱向配蒙筋率和構勢造要求等裝與中柱基美本一致，跳而邊柱和揚角柱實際拜承擔的軸熔向壓力分扛別為中柱傾的系1/汁2終和遮1/針4劇。愿（土1冠）復核驗聞算參數(shù)，盾設邊柱和迅角柱混凝閣土強度加為擔C4茶0簽，贊?根c1示=19.唐1N/m侮m渠2覆，梁板混會凝土強度狂為姨C2昂5扶，盤?布c2煩=11.筋9N/m蚊m現(xiàn)2坦；邊柱節(jié)斗點采個用州C2潑5卻混凝土澆制筑，實際怠軸心抗壓泥強度按公旱式役（淘3脾）計算結膜果尚?始3讀′送=16.樣9N/m絲m終2植，即為節(jié)鼠點混凝土米實際承載體力。糾（厚2港）邊柱節(jié)多點軸向承右載力復核奉驗算觀1于）邊柱實哨際承受的擴軸向壓應戒力魯價領巴=1/袖2串?處c1啞=0.5鄰×19.起1=9.光55N/野mm礎2跟（搜4獎）蹦2防）邊柱節(jié)旱點軸向承掛載形力齊?費3吐′俯按下式復帥核驗算：迷?什3減′≥回掛蔽厘勞=勻16.9概N/m鉤m隆2言≥賤1.5塘×我9.55句N/m欠m謝2梁=14.純3次N/mm貧2唱窮擴命（這5延）寇式中：理k裹為承載力菠安全系數(shù)械取遙1.養(yǎng)5區(qū)（已考慮固地震作用帳組合）。良邊柱節(jié)點縮按脾C2孕5零混凝土澆蚊筑滿足抗預震承載力膚要求，且付有它k迎＞區(qū)1.5在的安全儲旗備。集5.4膀角柱節(jié)點蜜混凝土強林度驗算宏（蟻1夾）角柱節(jié)脖點受力分模析，角柱違節(jié)點的兩盞個非對稱伐側面與水偽平框架梁寨連接，根飲據(jù)形狀改茫變比能理大論，在柱濕軸向壓力壟傳遞過程裕，兩側非途對稱框架瀉梁對梁柱怒節(jié)點區(qū)產扶生的側向歉被動壓應寫力從無梁什約束側流版失，故角微柱節(jié)點受陪力狀態(tài)應短按單軸軸削壓受力考似慮。但其臂實際承受揉的軸向壓筋力僅為中透柱例的消1/奇4籃左右（已師考慮地震培作用組合輕）。證（往2暫）設計計私算參數(shù)，稠與本文殼5.3.盒3測條財（竊1癥）款相同弊。華（物3儲）角柱實魔際承受的而軸向壓應彎力系σ摧c鉆″警按下式計灣算抬料煎″容=1/婆4聰?鞏c1幼=0.2斥5×19偉.1N丸/mm埋2弓=答4.78給N/mm更2華隆曬慎小裝（渴6恨）昨（除4眨）角柱節(jié)品點軸向承下載技力效?詞c2靠按下式復后核驗算：湯?部c2儉≥倍k雹σ暗c已″隸=11.扛9N/m濾m貝2膨＞豐1.5×減4.78當N/mm翁2保=7.1弟7N/m押m袋2晚話(下7)育角柱節(jié)點肢按梁商板乞C2匆5厘混凝土澆棗筑滿足抗甲震承載力桿要求，且橫有式k局＞凳2寒的安全儲修備。寄5.少5串中柱節(jié)點請混凝土強賠度驗算供（馳1可）已知中筍柱的梁柱水節(jié)點采用采梁騰板漫C2彎5驗混凝土澆澇筑境，絹?彼c2繳=11.佩9N/m遣m遠2杠,鳴柱的設計默強度等級裹為哭C4峰0螺，雁?瘋c1廢=19.鍬1N/m忙m純2聚。?。ㄓ?察）三軸壓睛應力狀態(tài)泡下應力比研值的確定底：止按辯5.絨1及條驗算條勻件訊追1送≥部?叢墓2路≥里集繳和演5.壯2談條多軸壓將應力比值朝的確定甲σ國2報:叉σ蝶3覽=-0狹.2:-絨1底，因通活侍寄達逃霜屑胳住割昌霧捧姐帝莊:敘兼吉:洪著星=-0.助2:-0價.2:-曬1慎，按叉圖涉2宅所示計算條其三軸抗腰壓強度值耍。丸(3桌)求解：已知景讓揀/推擁曠=0.2樹,撐由話圖鄭2戶查出比齡值腥?狀3痰/伸?住c合2職=3.0蘿2叨,眾故梁柱節(jié)富點核心區(qū)丘混凝土軸眠向抗壓強左度