高層建筑框架梁柱節(jié)點的強度驗算與施工處理

1、    高層建筑框架梁柱節(jié)點的強度驗算與施工處理      摘 要 高層建筑框架梁柱節(jié)點區(qū)混凝土如何澆注才能滿足承載力要求，是長期困擾著設(shè)計和施工人員的一個問題，文中根據(jù)高規(guī)的定性規(guī)定，經(jīng)定量驗算而總結(jié)出一種節(jié)點區(qū)簡易處理方法，望能得到同行的認可和接受，并在實際工程中加以運用。 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)點區(qū)混凝土的設(shè)計和澆注有以下的條文內(nèi)容及條文說明：當(dāng)柱混凝土設(shè)計強度高于梁、樓板的設(shè)計強度時，應(yīng)對梁柱節(jié)點混凝土施工采取有效措施（第13.5.7條

2、）；高層建筑不同強度的梁、柱節(jié)點混凝土澆筑需要有關(guān)單位具體協(xié)商解決（條文說明）；抗震設(shè)計時，一、二級框架的節(jié)點核心區(qū)應(yīng)按本規(guī)程附錄C進行抗震驗算；三、四級框架節(jié)點以及各抗震等級的頂層端節(jié)點核心區(qū)，可不進行抗震驗算（第6.2.7條）。凡是梁柱節(jié)點之混凝土強度低于柱混凝土強度較多者，皆必須仔細驗算節(jié)點區(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（條文說明）。由此可以看出，規(guī)程對梁柱節(jié)點區(qū)混凝土的設(shè)計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)計與施工中，這一問題是不可能回避的，因此尋求一種梁柱節(jié)點區(qū)混凝土合理設(shè)計和便利施工的方法正是本文的目標。2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

3、和施工中的現(xiàn)實問題2.1 為了滿足柱軸壓比的要求，同時又要控制柱截面不過大，柱子采用較高強度等級的混凝土是一種必然。而對于以受彎為主的樓層梁板，過高的混凝土強度等級卻是不需要且不適宜的，前者指對其抗彎承載力的貢獻不明顯，后者則指對構(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度等級不宜高于C40”的規(guī)定，但實際工程設(shè)計中樓蓋合適的混凝土強度等級應(yīng)為C25C35。由此可見，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的柱混凝土設(shè)計強度高于梁板的設(shè)計強度必然存在，而且隨著建筑物高度的增大，兩者的設(shè)計強度差距會越大，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)點區(qū)采用樓蓋混凝土強度等級澆注）。如果要求其中的梁柱節(jié)點單獨澆注，則首先是其供應(yīng)量及澆注時間不易控制而會導(dǎo)致質(zhì)量事故，其次是節(jié)點區(qū)與梁板之間的分隔確實存在難度，故施工單位至少不希望大面積采用此方法。3 受剪、受壓驗算規(guī)律考慮到現(xiàn)場施工的操作程序，同時又要滿足規(guī)范中對節(jié)點核心區(qū)承載力的要求，我們列舉數(shù)例對典型節(jié)點區(qū)的受剪、軸心受壓、偏心受壓進行計算（其過程附后）。通過驗算可得出以下規(guī)律：3.1 按高規(guī)附錄C進行受剪抗震驗算，即使柱梁混凝土強度等級相差20MPa，而節(jié)點區(qū)用樓蓋混凝土強度等級澆注，其節(jié)

5、點核心區(qū)截面的受剪承載力仍可以滿足要求。3.2 在偏心受壓驗算中，當(dāng)梁板混凝土強度等級比柱低5MP a時，其受壓強度可以滿足要求；當(dāng)兩者的混凝土強度等級相差10MPa及以上時，其受壓強度不滿足要求。3.3 當(dāng)梁板比柱的混凝土強度等級低10MPa及以上而仍用梁混凝土澆注節(jié)點區(qū)，則對節(jié)點區(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項抗壓數(shù)值來看，第1項即節(jié)點區(qū)截面混凝土抗壓強度是不可變更的；第3項即箍筋提供的抗壓強度所占的比例最小，且一般設(shè)計不可能改變節(jié)點區(qū)的配箍規(guī)格；第2項即節(jié)點區(qū)豎向鋼筋提供的抗壓強度所占比例較大，且若采用HRB400鋼（fy

6、=360N/mm2）來增加節(jié)點區(qū)的豎向配筋率則可顯著提高其抗壓強度。4 施工措施考慮到梁柱節(jié)點區(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)點區(qū)的施工措施歸納如下：4.1 當(dāng)梁板與柱的混凝土強度等級僅相差5MPa時，節(jié)點區(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度等級分別低于10MPa和15MPa時，節(jié)點區(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度等級低20MPa及以上時，再靠增設(shè)節(jié)點區(qū)豎向短筋來提高其抗壓強度已不可行，其原因一是無法布筋，二是短筋數(shù)量太大。此時節(jié)點區(qū)需采用與柱同等級混凝

7、土單獨澆注，雖然有一定的施工難度且需有較嚴密的施工組織措施，但所占的分量不很大，仍可以接受。偏心受壓計算公式中沒有體現(xiàn)節(jié)點區(qū)各方向水平梁對其提高強度的影響，事實上該影響是存在且有效的，尤其中柱節(jié)點通常有兩向梁對其約束產(chǎn)生的效果較為顯著。正如抗剪驗算中考慮“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，但事實上應(yīng)有所不同。筆者認為，上述施工措施可以針對邊柱和角柱節(jié)點區(qū)而言，如系中柱節(jié)點區(qū)，則可將各條措施中梁柱混凝土強度等級的差異各提高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)點的抗壓潛力，并考慮現(xiàn)場

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)點區(qū)的施工措施可用表1簡示。表1 節(jié)點區(qū)施工措施表梁柱混凝土強度等級相差級別 邊柱、角柱節(jié)點 中柱節(jié)點5MPa（一級） 不需特殊處理 不需特殊處理10MPa（二級） 加插短筋（柱主筋數(shù)的50%） 15MPa（三級） 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） 需用柱混凝土強度等級澆注 加插短筋（柱主筋數(shù)的100%）25MPa（五級） 需用柱混凝土強度等級澆注注）柱主筋采用、級鋼筋，配筋率1%；加插短筋采用級鋼筋（fy=360N/mm2）。5 混凝土強度等級的合理取值梁柱節(jié)點區(qū)的強度驗算和施工處理同時也涉及到

9、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)中豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件混凝土強度等級的合理取值問題，其合理與否必須符合以下原則： 5.1 整個工程的豎向構(gòu)件混凝土強度等級種類不宜太多，一般為8層左右變1個等級，且與豎向構(gòu)件截面的變化錯層同步。5.2 水平構(gòu)件的混凝土強度等級取值要符合規(guī)范要求，同時要與豎向構(gòu)件相配搭，使施工處理簡單化，盡量避免或減少節(jié)點區(qū)單獨澆注混凝土。根據(jù)上述原則，有關(guān)混凝土強度等級的確定，對于諸如樓層數(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)來說，其豎向構(gòu)件及水平構(gòu)件二者間混凝土強度等級的搭配，下面的取值可能是較合理和科學(xué)的（括號內(nèi)為樓層混凝土等

10、級）：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度等級的配搭，對于30層高層建筑，節(jié)點區(qū)需要加短筋的僅為1/4樓層；對于40層高層建筑，則為3/5樓層；對于55層高層建筑，第1方案節(jié)點區(qū)需單獨澆注混

11、凝土的為2/7，節(jié)點加短筋的為3/7，第2方案節(jié)點區(qū)需單獨澆注混凝土的1/4，節(jié)點加短筋的為1/2（后一方案的優(yōu)點在于混凝土強度等級種類最少，僅有4種且為完整等級）。至于節(jié)點區(qū)加短筋的做法，在柱頂梁底標高處預(yù)插短筋，其插入深度及突出梁面各300mm，位置首選復(fù)合箍筋的交叉點處，當(dāng)交叉點少于短筋根數(shù)時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)點區(qū)加插短筋的構(gòu)造6 經(jīng)濟分析在經(jīng)濟指標方面，節(jié)點區(qū)加插短筋所增加的用鋼量對于一個節(jié)點來說是微不足道的，如果攤銷到整個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）。從表2可以看出，節(jié)點區(qū)加插筋所增加的用鋼量占整個工程用鋼量的比例小至幾乎可忽略不計，因此以消耗工地上一些準備棄用的邊材廢料而換取節(jié)點區(qū)澆注混凝土的方便，無論從哪個角度衡量都是值得的。當(dāng)然，節(jié)點區(qū)加插短筋所花費的費用要比節(jié)點區(qū)采用柱混凝土強度等級單獨澆注高一些，但正如前面所述，節(jié)點區(qū)混凝土單獨澆注既存在許多困難，掌握不好還會導(dǎo)致混凝土質(zhì)量事故，因此采取在節(jié)點區(qū)加插短筋的做法來保證節(jié)點區(qū)的承載力無疑是一種簡易且科學(xué)的方法，設(shè)計方和施工方肯定樂于采用，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)點區(qū)用鋼量計算結(jié)果單位面積用鋼量（kg/m2） 整個工程攤銷量（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 計算實例7.1 偏心抗壓強度驗算N=Nfc A （1）N0.9(fc Acorfy As2fy Asso) （2）7.2 抗剪強度驗算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 我們對某工程實例的梁柱節(jié)點強度采用上述公式分別進行計算和比較，其結(jié)果列于表3。表3 不同條件下梁柱節(jié)點偏心抗壓強度和抗剪強度驗算結(jié)果驗 算 條 件 偏心抗壓驗算結(jié)果(kN) 抗剪驗算結(jié)果(kN)式（1） 式（2） 式（3） 式（4） 柱bh=1000×1000,主筋=1.0%(級)； 節(jié)點區(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)； 節(jié)點區(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)； 節(jié)點區(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