高层框剪结构梁柱节点混凝土强度验算

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。亏ƒ冻油ce庆=0.仇75驻挑ƒ医异cc材+0.爽35槐糖ƒ犁乘cb摄≤ƒ厅记cc宅式北中涝,闷歼ƒ导显ce跌为梁柱节初点核心区饲的混凝土栋折算强度壤；筹ƒ兼售cc害为柱混凝扇土强度差；恭ƒ抢遣cb胆为梁板混内凝土强度疑。赌例蜘如成ƒ瘦茂cc求=C5肉0蜡，扇ƒ顽黎cb颠=C2哭5订，梁柱节球点核心区弱采禁用帽C2予5横混凝土浇督筑，则梁抄柱节点核钱心区的折拔算强镇度库ƒ做牛ce坏=0.睁75×5助0+0.死35×2匀5=46落.25M如P轰a凤，即可尘按拖C4氏6四的混凝土角强度验算锋梁柱节点杜核心区的枝承载力，详如满足抗塌震承载力赛要求，可驰采用梁板蹄混凝土浇蓝筑节点核塘心区，否唉则，应采捐用柱混凝蛇土浇筑节寸点核心区龟。舱1.2.卫2咸加拿大混逝凝土规志范合CSAA维23.3丢-9秩4殃的规定计施算公式为貌：隐ƒ浩筑ce吨=0.2弓5疤ƒ厉蜜cc骡+1.0狱5犬ƒ港独cb墙≤ƒ距宅顾姓按上述相蜜同设定条泼件计掉算衣ƒ五撞ce哈=0.2签5×50沉+1.0气5×25难=38.冰75MP归a冰，即可近当似的课按往C4这0亮的混凝土穗强度验算达梁柱节点单核心区的套承载力。顷美国和加鸟拿大混凝快土规范规甲定的计算罚公式，有摸一个共同忍特点，即队当柱四边腾均有高度露近似相等礼的梁为前北提条件，闸那么边柱他和角柱的苍梁柱节点玻核心区混原凝土强度别如何计算阻？尚未做擦出计算规字定。经验寇算，只有限中柱在柱肃混凝土强使度而C3丽5输，梁板混提凝土强熟度廊C2杏5顽时屿,纹节点核心传区采用梁战板混凝土捉浇筑方可拨满足抗震变承载力要略求（已考咸虑轴压比决限值）。谱实际上仍滋然没有解奏决梁柱节爱点设施工粘缝或采取忘构造补强显而导致的圣施工难度熔加大，质忧量难以保括证，影响惯框架体系悦整体性的利缺陷。欢2心、梁柱节跪点受力分哨析东经过我国付持续多年船的试验研龟究和工程始实践，目饼前对梁柱学节点的承幻载力机理香和破坏规俊律已有了治比较深入眯和全面的屿了解。惜2.1均魄边柱区梁比柱节点受辩力分析砖边柱区梁抓柱节点，侮有的碧为夕“修L引”蝴形平面（绝角柱），受即仅有柱裳的两个非糊对称侧面宁与梁连接持，有的诊为泡“吴T幻”临形平面（熟边柱），鹿即柱的两乖个对称面晋和与其相责垂直的另偏一面与梁痒连接。在言重力荷载乒作用下，鄙梁端承受许负弯歼矩俯M凝b愿，并传入敌节点，此吩负弯矩由织上、下柱胃端的弯矩窗平衡；梁脏端还同时奴传入剪尿力浓V支b遍，但相对笑较小。节推点核心区专的开裂和汤损伤可能间性很小，揪而边柱节谣点轴力传刑递处于两编轴压应力壤工作状态平，使节点皆核心区混裹凝土的轴肢心抗压强搏度有较大朽提高，并创设计按上估、下柱端包箍筋加密泻区设置箍绸筋（一般档配箍确为砖≥炭Φ菊10门@嫌≤栗10筝0凑），具有挺强大的围勿箍效应。邮故主要矛训盾是节点索区框架梁沫上部纵向披受力钢筋西的锚固必牢须满足负烦弯矩作用乳下抗拉承绞载力要求蛇，以防止平震害造成康梁柱边界扬产生过大矩的裂缝。恭2.2罢促中柱梁柱输节点受力东分析起中柱梁柱拍节点四边宅均有梁连匀接，四侧塞梁传递本位层荷载引叮起的剪唱力号V芬br潜、馒V段bl蔬和梁端弯惜矩遗M鹊br伯、忧M佛bl星。通常情娘况下，节村点左、右枪跨度为等嘉跨模数化京设计，此变节点由四漫边梁传递店的内力（石弯矩及剪竹力）基本菜平衡，由余房间分隔魔和活荷载案不均衡导查致的不平燕衡内力也印很小，故害梁柱节点殿核心区不帜会开裂或傅损伤，而税且此节点得轴力传递葡处于三轴冬压应力工慕作状态，脆使节点核摇心区混凝爽土的轴心丸抗压强度筋成倍提高旬。只是不醉平衡弯矩专形成纵向杨受力钢筋敬的应力差任，由节点同中的混凝耗土粘结锚兆固力承担挑。主要矛类盾仍然是廉上、下纵蕉向受力钢深筋的锚固车承载力问泥题。家3骂、多轴强培度设计理木论的建立汇框架结构允的梁柱节倒点核心区播，作为边痒柱节点（蛋不含角柱肯）在两侧施水平框架勤梁的约束秤下，实际飞处在二轴筛压应力状很态下工作料，作为中激柱节点在物四周水平撒框架梁的望约束下，前实际处在淋三轴压应赠力状态下笨工作。按道照多轴强复度理论，愿梁柱节点晓核心区混锐凝土传递耻轴向力过荐程产生轴头向压缩和摧横向膨胀吃，使梁端蓬截面承受拜膨胀应力协，此膨胀摊应力受到掏框架梁的臂约束而产管生被动的盘侧向压应杯力，使其追强度大幅铲度增长。蛇由结构平朵衡理论可医知，梁端放截面在膨笋胀应力作冬用下在被刺破坏之前达，其膨胀缸应力与被政动侧压应忙力相等，疤并且与轴更向应力的歌大小成正陈比线性关漫系。互4壶、多轴应良力状态混拨凝土强度巨研究现状极我国在多宝轴应力理缩论方面，乘经多年的插试验研究跪和科研积颠累已具备碑了应用于丹实践的能芬力，但目僚前只是作吨为建议在层新规范附过录今C擦中列出，哪尚未在其歇相关条文抹中作出规父定，故在兴设计实践异中尚未得原到应用。首国际上目嚷前已有类遣似的规范难规定，并抹已成功的遗在工程实锈践中得到疤推广应用腹。慨5歪、梁柱节胃点混凝土摘强度设计任验算枣5.俩1悬验算条件丈处于多轴吐应力状态解混凝土结斤构局部的推梁柱节点享核心区，闻在由线弹声性分析、岛非线弹性敌分析或试含验方法求脾得应力分牙布和混凝刻土主压应银力佩毫塔（器i=搂1咸、揭2亮、晒3恶）泽之后，可哑按混凝土爹的多轴强宪度进行验肉算，裁‌电企怨i亚׀键≤古‌有׀漠‌鞭ƒ桥i逝׀本，式中拍钩点为混凝土膏的主应力肢值，受拉泰为正，受硬压为负，退且疗‌羞治1富≥厌‌太箭2冰≥桂肢让，式遗中奇ƒ膏i弹为混凝土穷的多轴强躺度，受拉棕为正，受况压为负，伙且冶‌从倡污≥局滨扁2络≥隐颤3蓄。廊‌汉我国已有拢经多年试遣验研究统伤计确定的筑混凝土二奋轴强度包咱络图和混脱凝土三轴众抗压强度械曲线图，闸（见新规在范附卫录稍C皮），因此尾，验算多赌轴强度关微键在于确鼠定压应力姿状态下混誓凝土的多漆轴压应力围比值，而剂验算本身逃可通过查绞核图表曲县线来完成坡。例5.啦2恒多轴压应象力比值的旦确定渣根据新规鼻范规定，疯当温度态在惭0煌℃属~10冻0赠℃阴范围内时部，混凝土陡的泊松比欣ν崇c司可采餐用锋0.爬2熄。为方便狮计算，这钟里设柱的期轴向正应过变柜伸3泼=炮1存，梁的横款向正应变箱占2耐=默‌χ医，则御ν针c核=茶‌χ岩/困蝴3嫩=0.烛2菌，凶‌χ止=娱荣笔×0.2压=1×0城.2=0售.笔2蹦，故责拜2愚:水晋3恋=耻0.2验:搁1线。设梁柱臣节点核心封区采用梁迫板混凝土阵浇筑，哥故袋E浴2谱=E戏3傅，蔽窄2狸/沈钩3郊=E胜2意冰2辅/E饰2麦誉3贤=驼沿2薪/步变3耗=末0.2:睬1罢，即序辩2洽:练问3轮=-0.紫2:-1湖。免式中：若您粪葵、持备厕、帝E而2兰和闻皇咽、她嗽3垄、师E宝3茶分别为梁傲板和柱的暖压应力、规压应变与保弹性模量魄。子5.帅3冤边柱节点倡混凝土强荐度组合验权算达5.3.矛1红边柱节点蚁二轴压应旅力状态的回强度验算天采用混凝愤土二轴强风度包络图殿进行验算谷，以相对哄值喷ƒ工i接/蚊ƒ霞c董表达犯，产ƒ症i右、狼ƒ笨c接分别为二岂轴和单轴刊轴心抗压横强度锣（乏i=水2毙、胆3饮）（见顾图折1喝）攀解：在混著凝土二轴向强度包络渐图的第三鼻象限内，爪作躁σ再2拨:中σ虽3原=-0.剃2:-防1回的射线，述交它E译F小线旧于贪E罗点，其相激对座标值战为二轴抗肿压强度数齐值鱼ƒ闲3掀=1.求2删ƒ仿c景共停嚼（藏1坦）技5.3.常2令边柱节点槐内梁柱纵嫁向受力筋冒对承压面饭积提高系须数的计算盒梁柱节点尊核心区混颠凝土的抗音压强度应福考虑梁柱矩纵向钢筋招对其有提笔高作用的胆因素。才（搭1老）设计计车算参数，匙设面积提沙高系数假为粗K毫，梁柱节懂点混凝土煎为带C2棚5尼，其弹性乏模在量佣E缩c咳=2.8械×10烂4芳，捆轴心抗压派强放度炒ƒ慰c茎=11.即9N/m爷m竞2洋，钢筋阳为元HRB3醒3秀5酬或房HRB4觉0踏0冤，其弹性辈模古量碧E盼s裕=2.0迹×10洪5红；柱纵向批钢筋配筋扎率按受力铅验算与抗居震构造优冠化最佳值年取赞ρ无1螺=1.5按%呆，梁端伸吴入支座的兔纵向钢筋洒（含纵向幅构造和抗蜂扭钢筋）乖配筋率取灾最佳值阿ρ剖2呜=1.5垄%汪，即娃ρ辟=否ρ堆1纪+毙ρ帝2疏=3益%找。给（输2聚）梁柱节鼓点混凝土熟面积提高舅系数采用妻下式计算过：刮K=bh爽+推ρ秤bh(n垒-1)/毒bh=1陶+疲ρ淡(励n-1)想=1+0违.03(减E乔s致/E眨c蹄-1)=伶1+0.窜03(7析.14-漂1)=1挺.185圣(2)筑式中深：思b腾h留为柱断面嘱面积山；谈n既为钢筋弹庄性模量与孝混凝土弹沾性模量的膨比值；柴ρ顷为梁柱节闸点内梁柱报纵向钢筋锄配筋率之泼和。叼经上述计听算，梁柱夫节点核心重区实际轴础心抗压强督度赖ƒ旦3袄′什=堵1.着2匪ƒ奉c互k=1.饶2×11情.9×1倚.185跳=16.拿9N/m蒙m笔2炮（送＞龙C3定5跟）估昆房穷邮晓腾毕盈昏（盟3礼）酸5.3.想3糠边柱节点掠混凝土实软际轴向承梁载力复核胞验算悉设计与施虫工实践证刮明，通常立设计的边遮柱及角柱渐轴压比限咸值计算时岔，均按考熄虑地震作男用组合的销框架中柱环承担的楼凉面荷载确加定的柱轴涛向压力设隐计敲值迷N嗓确定，故虏边柱、角剃柱的全截应面面待积莲A鲁、混凝土巾轴心抗压饱强系度鉴ƒ岗c蚕、纵向配蒙筋率和构势造要求等装与中柱基美本一致，跳而边柱和扬角柱实际拜承担的轴熔向压力分扛别为中柱倾的系1/汁2终和遮1/针4剧。愿（土1冠）复核验闻算参数，盾设边柱和迅角柱混凝阁土强度加为担C4茶0签，赞ƒ根c1示=19.唐1N/m侮m渠2覆，梁板混会凝土强度狂为姨C2昂5扶，盘ƒ布c2烦=11.筋9N/m蚊m现2坦；边柱节斗点采个用州C2泼5却混凝土浇制筑，实际怠轴心抗压泥强度按公旱式役（淘3脾）计算结膜果尚ƒ始3读′送=16.样9N/m丝m终2植，即为节鼠点混凝土米实际承载体力。纠（厚2港）边柱节多点轴向承右载力复核奉验算观1于）边柱实哨际承受的扩轴向压应戒力鲁价领巴=1/袖2串ƒ处c1哑=0.5邻×19.起1=9.光55N/野mm础2跟（搜4奖）蹦2防）边柱节旱点轴向承挂载形力齐ƒ费3吐′俯按下式复帅核验算：迷ƒ什3减′≥回挂蔽厘劳=匀16.9概N/m钩m隆2言≥贱1.5塘×我9.55句N/m欠m谢2梁=14.纯3次N/mm贫2唱穷扩命（这5延）寇式中：理k裹为承载力菠安全系数械取遥1.养5区（已考虑固地震作用帐组合）。良边柱节点缩按脾C2孕5零混凝土浇蚊筑满足抗预震承载力肤要求，且付有它k迎＞区1.5在的安全储旗备。集5.4膀角柱节点蜜混凝土强林度验算宏（蚁1夹）角柱节脖点受力分模析，角柱违节点的两盏个非对称伐侧面与水伪平框架梁寨连接，根饮据形状改茫变比能理大论，在柱湿轴向压力垄传递过程裕，两侧非途对称框架泻梁对梁柱怒节点区产扶生的侧向歉被动压应写力从无梁什约束侧流版失，故角微柱节点受陪力状态应短按单轴轴削压受力考似虑。但其臂实际承受揉的轴向压筋力仅为中透柱例的消1/奇4篮左右（已师考虑地震培作用组合轻）。证（往2暂）设计计私算参数，稠与本文壳5.3.盒3测条财（窃1症）款相同弊。华（物3储）角柱实魔际承受的而轴向压应弯力系σ摧c钻″警按下式计湾算抬料煎″容=1/婆4聪ƒ巩c1幼=0.2斥5×19伟.1N丸/mm埋2弓=答4.78给N/mm更2华隆晒慎小装（渴6恨）昨（除4眨）角柱节品点轴向承下载技力效ƒ词c2靠按下式复后核验算：汤ƒ部c2俭≥倍k雹σ暗c已″隶=11.扛9N/m滤m贝2膨＞丰1.5×减4.78当N/mm翁2保=7.1弟7N/m押m袋2晚话(下7)育角柱节点肢按梁商板乞C2匆5厘混凝土浇枣筑满足抗甲震承载力杆要求，且横有式k局＞凳2寒的安全储修备。寄5.少5串中柱节点请混凝土强赔度验算供（驰1可）已知中笋柱的梁柱水节点采用采梁腾板漫C2弯5验混凝土浇涝筑境，绢ƒ彼c2缴=11.佩9N/m遣m远2杠,鸣柱的设计默强度等级裹为哭C4峰0螺，雁ƒ疯c1废=19.锹1N/m忙m纯2聚。薄（雨2察）三轴压睛应力状态泡下应力比研值的确定底：止按辩5.绒1及条验算条匀件讯追1送≥部‌丛墓2路≥里集缴和演5.壮2谈条多轴压将应力比值朝的确定甲σ国2报:叉σ蝶3览=-0狭.2:-绒1底，因通活侍寄达逃霜屑胳住割昌雾捧姐帝庄:叙兼吉:洪着星=-0.助2:-0价.2:-晒1慎，按叉图涉2宅所示计算条其三轴抗腰压强度值耍。丸(3桌)求解：已知景让拣/推拥旷=0.2树,撑由话图郑2户查出比龄值腥ƒ状3痰/伸ƒ住c合2职=3.0萝2叨,众故梁柱节富点核心区丘混凝土轴眠向抗压强左度