高层框剪结构梁柱节点混凝土强度验算

PAGEPAGE8高层框剪结构梁柱节点混凝土强度验算研究[摘要]运用多轴强度理论和柱、梁纵向受力钢筋对节点强度提高理论进行计算，进而对边柱、角柱节点实际轴压应力计算分析，并对梁柱节点混凝土进行抗震承载力复核验算，得出了柱与梁板混凝土强度相差≤3级时，可随梁板混凝土一起浇筑的结论。[关键词]高层建筑；框剪结构；梁柱节点；多轴强度；抗震承载力。在高层框剪结构抗震设计时，主动控制梁柱节点附近梁端和柱端的承载力设计值，通常使柱混凝土强度高于梁板混凝土强度2~3级（即10~15MPa），是为了控制柱的破坏不致于在梁的破坏前发生，体现了“强柱弱梁”的主动控制设计原则，使抗震设计具备了预控能力，是一项很大的科技进展。但梁柱节点核心区是就柱还是随梁板混凝土浇筑？一直是建筑工程界专家学者的一个热门话题。《混凝土结构设计规范》，GB50010-2002（以下简称新规范）未给出相关规定，至今也尚无先进可靠的定量研究，一直困扰着建筑工程界设计与施工技术人员。非常有必要进行此方面的设计验算研究，以解决梁柱节点与梁板混凝土一起浇筑的关键性技术。1、国内外梁柱节点设计现状与分析1.1国内梁柱节点设计现状与分析1.1.1梁柱节点与梁板混凝土等强度浇筑（1）当四边均有梁约束的梁柱节点核心区，柱与梁板混凝土强度相差≤2级时，可随梁板混凝土一起浇筑。这只是一种定性的做法，尚无科学的理论计算证明；（2）除上述约束条件外（即边柱与角柱），如柱与梁板混凝土强度相差1级时，梁柱节点核心区可随梁板混凝土一起浇筑。设计与施工实践证明，柱与梁板混凝土强度相差1级的高层框剪结构设计几乎不存在。因为为使框架柱符合轴压比设计限值和尽量缩小柱断面尺寸的设计要求，柱的强度等级一般采用C35~C50，而作为抗弯构件的梁板，提高混凝土强度等级对提高抗弯强度和降低配筋率贡献甚微，且极易导致收缩开裂。经抗弯、抗剪强度验算对比与优化证明，梁板混凝土强度采用C25为最佳技术经济指标，故通常设计采用C25。所以，柱与梁板混凝土强度至少相差2级。（3）采取构造强化措施，如在梁柱节点核心区附加芯柱、型钢、插竖向短筋或在节点区平面外附加竖筋和箍筋做混凝土加腋处理等，可使梁柱节点核心区随梁板混凝土一起浇筑。这也只是定性做法，经构造处理后，节点核心区混凝土强度能提高多少？尚无计算方法，况且此区域的梁下部纵向受力钢筋锚固搭接、复合箍筋和拉筋的设置，导致钢筋纵横交错与密集，混凝土浇捣难度本来就很大，如采取上述构造措施会严重影响浇捣质量和钢筋握裹强度，将使其事与愿违，造成质量事故。所以，目前很少有人采用这种设计与施工方法。1.1.2梁柱节点与柱混凝土等强度浇筑如设计梁柱中节点混凝土强度相差2级以上，或梁柱边、角节点混凝土强度相差1级以上时，从柱结构外边缘以外0.5h处（h为梁截面高度），作为混凝土强度分界线，利用密目钢丝网分隔，在梁板混凝土浇筑完毕，分界处混凝土初凝前，采用柱混凝土浇筑节点核心区。这是目前国内常见的设计与施工方法。实践证明，这种方法施工难度大，而且浇筑梁板混凝土时，水泥浆极易淌入下柱端施工缝处，且梁柱节点区钢筋密集，不便排除水泥浆，形成薄弱结构层，严重降低下柱端承载力。此时，梁端0.5h区段为柱混凝土，无形中强化了梁端的抗弯强度，导致在地震荷载作用时，塑性铰形成滞后，不利于梁端延性的发挥和地震能的吸收，因应力集中而使核心区混凝土剪切开裂，严重降低抗震性能，有违于“强柱弱梁、强剪弱弯”的设计原则。1.2国外梁柱节点设计现状与分析1.2.1美国混凝土规范AC1318-99的规定如果柱混凝土强度为梁板混凝土强度1.4倍（约2个强度等级）以上时，则应采取下列措施之一。（1）同本文1.1.1条（3）款做法；（2）同本文1.1.2条做法；（3）当四边均有高度近似相等的梁，可将梁柱节点核心区混凝土与梁板同时浇筑，并按下式计算节点核心区混凝土的折算强度。扣ƒ伏列ce汗=0.75箩停ƒ扇齿cc仿+0.35亦裕ƒ乌竟cb番≤岂ƒ艳搬cc狮式伶中敏,迷意ƒ誓箱ce汁为梁柱节点核冲心区的混凝土醒折算强度；共ƒ暖钩cc凡为柱混凝土强斤度；烂ƒ爹付cb见为梁板混凝土蛮强度。都例如详ƒ视匹cc界=C5抬0稼，毫ƒ忧异cb膊=C2烛5路，梁柱节点核临心区采育用蛮C2谋5鱼混凝土浇筑，办则梁柱节点核亏心区的折算强输度稳ƒ概茄ce毕=0.75亲×50+0.拉35×25=剧46.25M宽P缝a蛙，即可而按衣C4伸6娃的混凝土强度茫验算梁柱节点古核心区的承载澡力，如满足抗盏震承载力要求妈，可采用梁板被混凝土浇筑节易点核心区，否梁则，应采用柱脑混凝土浇筑节设点核心区。断狗加拿大混凝土搞规束范大CSAA23华.3-9慰4躁的规定计算公甜式为：夺ƒ旧扁ce础=0.25悼ƒ苍们cc与+1.05传ƒ齿拴cb模≤司ƒ仅躁崭魄按上述相同设倾定条件计算啊ƒ巡洒ce乳=0.25×只50+1.0六5×25=3里8.75MP芬a冰，即可近似的贞按扇C4钩0腊的混凝土强度趋验算梁柱节点蒙核心区的承载和力。淹美国和加拿大剩混凝土规范规学定的计算公式授，有一个共同回特点，即当柱名四边均有高度列近似相等的梁别为前提条件，困那么边柱和角小柱的梁柱节点胖核心区混凝土海强度如何计算蚁？尚未做出计蔬算规定。经验匀算，只有中柱家在柱混凝土强英度是C3势5趣，梁板混凝土伸强副度店C2吐5驱时胀,结节点核心区采琴用梁板混凝土牵浇筑方可满足取抗震承载力要矩求（已考虑轴牧压比限值）。多实际上仍然没帽有解决梁柱节尾点设施工缝或汤采取构造补强识而导致的施工里难度加大，质皆量难以保证，驾影响框架体系甘整体性的缺陷疗。东2粒、梁柱节点受驱力分析推经过我国持续育多年的试验研闲究和工程实践罗，目前对梁柱谈节点的承载力披机理和破坏规举律已有了比较痛深入和全面的禁了解。穴2.1圾马边柱区梁柱节项点受力分析搏边柱区梁柱节叮点，有的责为秧“懒L角”件形平面（角柱惊），即仅有柱则的两个非对称进侧面与梁连接可，有的性为亭“泪T肺”鹊形平面（边柱愿），即柱的两去个对称面和与罚其相垂直的另册一面与梁连接谊。在重力荷载悦作用下，梁端共承受负弯灿矩虚M幸b淡，并传入节点质，此负弯矩由折上、下柱端的抢弯矩平衡；梁藏端还同时传入备剪陷力敬V搁b竹，但相对较小世。节点核心区门的开裂和损伤材可能性很小，鹅而边柱节点轴势力传递处于两讯轴压应力工作委状态，使节点对核心区混凝土冷的轴心抗压强盒度有较大提高扛，并设计按上须、下柱端箍筋乘加密区设置箍困筋（一般配箍约为醋≥暴Φ核10猛@舱≤两10贫0拿），具有强大扯的围箍效应。叮故主要矛盾是炭节点区框架梁蓬上部纵向受力施钢筋的锚固必势须满足负弯矩些作用下抗拉承灰载力要求，以脊防止震害造成境梁柱边界产生壤过大的裂缝。潜2.2绞摘中柱梁柱节点醉受力分析纺中柱梁柱节点汁四边均有梁连庭接，四侧梁传傍递本层荷载引鞋起的剪端力纸V挎br抢、东V兔bl船和梁端弯烦矩肉M就br腐、市M蝇bl州。通常情况下悠，节点左、右锅跨度为等跨模介数化设计，此劈节点由四边梁禾传递的内力（奋弯矩及剪力）显基本平衡，由折房间分隔和活轻荷载不均衡导正致的不平衡内惹力也很小，故拖梁柱节点核心伯区不会开裂或你损伤，而且此购节点轴力传递插处于三轴压应扰力工作状态，令使节点核心区伪混凝土的轴心抱抗压强度成倍芽提高。只是不垮平衡弯矩形成铜纵向受力钢筋臂的应力差，由爆节点中的混凝天土粘结锚固力最承担。主要矛颈盾仍然是上、李下纵向受力钢牙筋的锚固承载穗力问题。涉3萝、多轴强度设钢计理论的建立夸框架结构的梁你柱节点核心区丸，作为边柱节摧点（不含角柱域）在两侧水平活框架梁的约束犬下，实际处在坦二轴压应力状痒态下工作，作碎为中柱节点在起四周水平框架首梁的约束下，叛实际处在三轴闲压应力状态下乔工作。按照多爱轴强度理论，绑梁柱节点核心园区混凝土传递鉴轴向力过程产恨生轴向压缩和袋横向膨胀，使倒梁端截面承受肺膨胀应力，此华膨胀应力受到书框架梁的约束单而产生被动的片侧向压应力，得使其强度大幅障度增长。由结撒构平衡理论可支知，梁端截面端在膨胀应力作革用下在被破坏沙之前，其膨胀子应力与被动侧泰压应力相等，裳并且与轴向应军力的大小成正时比线性关系。欠4柄、多轴应力状条态混凝土强度岩研究现状坏我国在多轴应件力理论方面，败经多年的试验蝇研究和科研积绳累已具备了应廊用于实践的能泡力，但目前只证是作为建议在皱新规范附嚷录植C岂中列出，尚未插在其相关条文梢中作出规定，悠故在设计实践昌中尚未得到应逮用。国际上目误前已有类似的廉规范规定，并辱已成功的在工洽程实践中得到条推广应用。衔5胜、梁柱节点混械凝土强度设计索验算圾5.岁1肉验算条件迹处于多轴应力疑状态混凝土结锡构局部的梁柱贫节点核心区，翻在由线弹性分匠析、非线弹性痛分析或试验方姨法求得应力分乞布和混凝土主兆压应力丢下剥（早i=志1妖、拆2蔑、逮3申）肝之后，可按混驶凝土的多轴强照度进行验算，气‌敢堡牛i旨׀丸≤岁‌回׀椒‌奔ƒ谢i妈׀斩，式中赌牧签为混凝土的主怪应力值，受拉坏为正，受压为较负，且巡‌啊猴1肢≥慈‌聪双2腰≥仔些晌，式卷中摆ƒ偶i况为混凝土的多推轴强度，受拉寄为正，受压为蛾负，且屋‌气吸址裁≥辨鱼蚕他2灿≥尽怪返3国。哈‌修我国已有经多父年试验研究统燕计确定的混凝害土二轴强度包协络图和混凝土垃三轴抗压强度期曲线图，（见猎新规范附逼录胶C叶），因此，验摧算多轴强度关愈键在于确定压蜂应力状态下混熊凝土的多轴压妈应力比值，而傍验算本身可通尺过查核图表曲及线来完成。卧5.旬2认多轴压应力比扬值的确定劳根据新规范规杨定，当温度挎在物0侧℃唇~10杨0林℃姓范围内时，混径凝土的泊松比犁ν漫c元可采何用暮0.撒2伏。为方便计算佳，这里设柱的鲁轴向正应变慎垄3柳=贞1懒，梁的横向正胸应变瓶摸2芬=柄‌χ恶，则酱ν讲c廉=验‌χ膜/惯利3疾=0.门2环，陪‌χ趁=祸配伪×0.2=1侦×0.2=0浪.剪2发，故茎芽2辉:川莫3重=惭0.2努:建1荣。设梁柱节点迈核心区采用梁散板混凝土浇筑比，喘故妹E浙2严=E缝3突，伶糊2桐/脾悲3世=E袖2秀衔2礼/E打2献棕3颂=但私2千/穿询3喂=抛0.2:守1袋，即慨威2链:受丧3无=-0.2:趴-1梯。傲式中：共砖典、日陶劝、击E派2傻和姿摸吩、桌蠢3允、叨E绵3嘴分别为梁板和喘柱的压应力、拳压应变与弹性油模量。控5.集3艇边柱节点混凝架土强度组合验似算蜂拳边柱节点二轴滔压应力状态的储强度验算趟采用混凝土二年轴强度包络图呀进行验算，以品相对套值庭ƒ鱼i督/录ƒ碧c曾表达扬，咐ƒ辈i沿、滥ƒ万c化分别为二轴和之单轴轴心抗压财强度速（大i=棋2确、疮3糊）（见久图腰1傻）池解：在混凝土孔二轴强度包络脂图的第三象限突内，毛作侨σ秒2俘:女σ柄3族=-0.2:甘-菠1招的射线，支交怖E烫F延线揉于奶E远点，其相对座煮标值为二轴抗匹压强度数触值岛ƒ诱3匪=1.跟2狸ƒ熟c例飘务（吴1闹）端恋边柱节点内梁仙柱纵向受力筋蔑对承压面积提凡高系数的计算卫梁柱节点核心勇区混凝土的抗恭压强度应考虑敞梁柱纵向钢筋慕对其有提高作董用的因素。筑（区1摸）设计计算参重数，设面积提疮高系数帮为举K锈，梁柱节点混穴凝土碗为最C2页5远，其弹性模缴量弯E建c谋=2.8×1猾0节4晓，剃轴心抗压强益度繁ƒ做c路=11.9N愁/mm威2加，钢筋毕为微HRB33霉5悠或勇HRB40叨0坦，其弹性模愿量末E停s怨=2.0×1边0洽5奶；柱纵向钢筋高配筋率按受力盘验算与抗震构迷造优化最佳值授取收ρ阴1桥=1.5薄%伴，梁端伸入支麻座的纵向钢筋胖（含纵向构造讽和抗扭钢筋）念配筋率取最佳西值撤ρ榨2走=1.5巨%昼，即龙ρ愿=断ρ翅1拖+储ρ河2决=3冬%狗。曾（佩2辜）梁柱节点混悲凝土面积提高准系数采用下式君计算：锹K=bh+居ρ蛾bh(n-1板)/bh=1炉+阅ρ糊(基n-1)=1爪+0.03(精E档s糠/E盗c鹅-1)=1+锐0.03(7玩.14-1)望=1.185尝(2)往式中反：应b艘h杜为柱断面面积滑；靠n碑为钢筋弹性模斧量与混凝土弹图性模量的比值艺；损ρ茎为梁柱节点内棵梁柱纵向钢筋另配筋率之和。逗经上述计算，阅梁柱节点核心堪区实际轴心抗颠压强些度竹ƒ葬3慧′降=聪1.银2满ƒ顺c逐k=1.2×梦11.9×1碌.185=1扯6.9N/m建m趴2舰（进＞总C3道5狗）峰块台压霞坡煎旷（爪3唇）壁仪边柱节点混凝鸣土实际轴向承火载力复核验算粘设计与施工实膊践证明，通常丝设计的边柱及项角柱轴压比限肤值计算时，均皂按考虑地震作舌用组合的框架赛中柱承担的楼江面荷载确定的爱柱轴向压力设饿计暖值箭N味确定，故边柱仆、角柱的全截滨面面增积测A团、混凝土轴心斥抗压强逼度齿ƒ怖c惕、纵向配筋率稀和构造要求等昂与中柱基本一枝致，而边柱和悟角柱实际承担摆的轴向压力分洋别为中柱桨的慰1/永2祥和瞎1/漏4甩。岛（泼1范）复核验算参自数，设边柱和蔽角柱混凝土强谜度其为济C4胡0扮，啦ƒ献c1秤=19.1N炭/mm狼2使，梁板混凝土嘴强度术为俊C2慕5到，巾ƒ析c2辰=11.9N啦/mm晓2煌；边柱节点采那用日C2绑5址混凝土浇筑，箱实际轴心抗压幅强度按公式良（肾3抖）计算结宣果践ƒ赵3沃′捉=16.9N怖/mm归2膀，即为节点混股凝土实际承载箩力。就（欠2寻）边柱节点轴成向承载力复核廉验算嫩1排）边柱实际承雹受的轴向压应夏力兆猾佳棉=1/悔2刊ƒ丙c1烈=0.5×1回9.1=9.坟55N/mm迈2屯（舞4沫）殿2宫）边柱节点轴控向承载尖力碑ƒ俗3头′耀按下式复核验乱算：阵ƒ坏3泄′≥舒伪画穿薄=展16.9盼N/mm采2航≥架1.5资×是9.55荡N/mm跃2潜=14.3团N/mm王2纳散柄（痒5稳）扶式中：定k辞为承载力安全戏系数验取叔1.星5锯（已考虑地震铁作用组合）。丧边柱节点冤按围C2理5故混凝土浇筑满愈足抗震承载力巴要求，且有辟k盘＞火1.5漏的安全储备。侍5.4雪角柱节点混凝改土强度验算滴（僵1案）角柱节点受农力分析，角柱俩节点的两个非殖对称侧面与水酬平框架梁连接斤，根据形状改蝴变比能理论，驳在柱轴向压力箭传递过程，两女侧非对称框架艳梁对梁柱节点烧区产生的侧向双被动压应力从承无梁约束侧流潜失，故角柱节佳点受力状态应莫按单轴轴压受呆力考虑。但其坡实际承受的轴汇向压力仅为中兽柱戏的当1/朵4迅左右（已考虑太地震作用组合衔）。纲（袋2酬）设计计算参嗓数，与本文于5.3.推3还条数（亏1臂）款相同。针（受3头）角柱实际承际受的轴向压应岭力丸σ泰c律″虹按下式计算屈灶厌″掏=1/助4枪ƒ后c1朝=0.25×恨19.1N醉/mm难2河=伙4.78球N/mm怪2鱼卧农填（更6迈）屯（饱4锅）角柱节点轴哪向承载力累ƒ絮c2棚按下式复核验关算：欲ƒ漏c2昂≥化k柳σ笨c拥″邻=11.9N缓/mm怒2鹅＞成1.5×4.晨78N/mm腊2注=7.17N剩/mm饰2贴泉(7)蒜角柱节点按梁炭板万C2带5踏混凝土浇筑满尊足抗震承载力处要求，且融有倘k寺＞通2放的安全储备。兼5.5井中柱节点混凝桥土强度验算碗（莫1崇）已知中柱的详梁柱节点采用雷梁舍板明C2蹲5叮混凝土浇筑，袄ƒ肯c2销=11.9N招/mm览2市,己柱的设计强度闷等级权为绍C4如0厘，蝶ƒ臣c1尘=19.1N间/mm颗2案。揪（肿2投）三轴压应力绸状态下应力比朋值的确定：许按遮5.权1舍条验算条件肆脂1麻≥往‌梦键2丑≥玩商匠和凶5.雄2衬条多轴压应力陕比值的确定博σ习2细:讯σ扒3运=-0.2代:-眉1细，因通榆方冶忧太追纹存好扩钞猜田基缸:探畏熔:堤毯坝婚津=-0.2:勾-0.2:-难1男，按近图爽2拉所示计算其三在轴抗压强度值财。秀(3爪)酿解：已知匠甲患/辅赔再通=0.2逗,沿由劈图宇2换查出比值灌ƒ先3枝/甘ƒ陆c武2谊=3.0