混凝土框架結構關鍵節點的力學溯源

楊 青 楊國兵

(1.滁州學院土木與建筑工程學院，安徽 滁州 239000；2.安徽滁州技師學院，安徽 滁州 239000)

0 引言

框架混凝土結構房屋無處不在。節點核心區鋼筋處理方式是影響框架結構抗震性能的關鍵，楊洪渭等[1]通過擬靜力試驗比較新型裝配式與普通現澆混凝土框架節點，具有較飽滿的滯回曲線、較好的剛度和耗能特性，邢國華等[2]通過建立明確力學計算模型探討框架節點核心區受剪機理，李振寶等[3]通過對正方形框架截面柱在雙向受力下節點核心區受力機理的研究，得出核心區混凝土形成斜壓桿，箍筋和柱筋分別形成水平和豎向的拉桿，共同承擔節點合剪力結論，建立抗剪承載力計算方法并通過試驗得以驗證。但實際施工中，框架節點核心區往往處理不當。本文通過框架梁柱節點構造加以分析，觸及梁柱結構的受力機理，探究混凝土梁柱結構施工和監理中應予關注的問題。

1 明晰構件約束變化造成的后果

某商場為框架結構，沿街柱距為4.5 m，柱截面尺寸為450 mm×500 mm，沉管灌注樁基礎，2層沿街裙房樓面原設計為矩形截面懸臂梁(180 mm×600 mm)，計算跨度取2.2 m，懸臂梁頂配筋3Φ25，梁下2Φ12(均為Ⅱ級)，箍筋Φ8@200(Ⅰ級)，混凝土強度等級C20，外掛連續梁(矩形截面180 mm×600 mm)，后在其上增加用作一排庫房，屋面板厚120 mm，磚砌體墻厚度分別為180 mm,120 mm，懸臂梁端部下增設鋼筋混凝土柱，木樁基礎，庫房(設置180 mm厚普通磚砌體橫隔墻)結構布置見圖1a)，使用后發現外排立柱下沉，致使立柱與懸臂梁脫空,原水平梁產生裂縫見圖1b)。現根據該工程實例，立柱與水平梁連接前后的計算簡圖與內力計算，庫房凈高取2.6 m，屋面板跨度取3.0 m，屋面荷載設計值取5.5 kN/m2。立柱下沉前后，導致水平梁受力方式發生劇變，彎矩剪力內力計算結果分別見圖2，圖3。

根據水平梁的設計參數，見圖4，進行結構構件承載力的復核。

b×h=180 mm×600 mm,h0=600-35=565 mm。

As支座=1 471 mm2,As跨中=226 mm2。

180×565×0.452×(1-0.5×0.452)=193 kN·m。

180×565×0.069×(1-0.5×0.069)=36.95 kN·m。

Mu支=193 kN·m

Vu=174.1 kN

不難得出，水平梁支座約束變化就是造成水平梁產生彎剪裂縫的根源,為分析診斷裂縫成因與處理提供依據。

2 梁柱節點構造分析

2.1 框架梁控制截面鋼筋構造

框架梁支座負筋和跨中正筋的配置，均來自結構彎矩圖控制截面峰值，按結構抗震等級及混凝土強度等級，鋼筋級別和受力鋼筋直徑進行有效錨固，同時進行箍筋加密區范圍設置[4]。

2.2 框架梁鋼筋錨固及箍筋加密的機理

我國大量公共建筑與居住建筑均在抗震設防考慮范圍內，依建筑工程抗震設防分類標準、結構類型、烈度和房屋高度劃分抗震等級。圖集明確規定了抗震等級一級至四級情況下各種位置梁柱節點的梁鋼筋錨固要求，監理工程師隱蔽工程驗收時應予明確。典型框架梁柱節點破壞見圖5，LZ節點錨固見圖6。

在框架梁柱關鍵節點處，地震(左震或右震)會產生較大的內力重分布，梁端應考慮吸收地震能量出現的塑性鉸，塑性鉸不同于普通鉸，它必須能夠承受彎矩，如果此時受力鋼筋沒有錨固或錨固不足，則會造成此處鋼筋不能發揮受力特性而引起塑性鉸失效。但另一方面也必須關注，梁端縱筋超配筋也是非常有害的，有資料顯示，日本、新西蘭及歐洲規范，特別在縱向鋼筋的延伸率、強屈比方面做出嚴格規定以保證梁端塑性鉸的實現。

2.3 框架柱端箍筋加密的機理

貫徹規范要領的圖集已明確，框架柱端的封閉加密箍筋構造要求見圖7，在軸壓比很大的情況下，箍筋配箍率不足或未按規范要求進行箍筋加密(加密的作用主要是約束核心混凝土)，由于水平地震力作用，柱端會產生較大的彎矩和剪力[5]，引起彎剪斜裂縫，地震力方向反復變化，形成X形狀裂縫分割混凝土，最后鋼筋壓屈，箍筋外繃，混凝土壓碎，造成框架柱柱頭壓屈柱腳崩潰現象。

圖8就是一地震后出現的框架柱端破壞情景。而柱端一旦出現塑性鉸，柱端抗剪能力急劇下降，剪切破壞(脆性破壞)就形成了，要體現與建筑結構抗震設計規范要求的“強柱弱梁”原則，框架柱端節點的縱向受力鋼筋(不允許鋼筋出現連接)和橫向加密箍筋，以及混凝土的澆筑質量，是構成這一關鍵部位的主要因素。

3 鋼筋接頭位置分析

構件中鋼筋的接頭位置及數量，是隱蔽工程驗收需控制的問題，其中也包含著構件的受力原理，自然是問題的根源，何為強調鋼筋同一連接區段內及接頭率時，規范明確規定(如圖9所示)，小于連接區段長度范圍內的接頭就是鋼筋的傳力薄弱區域，連接區段對于機械連接為35d，焊接為35d且不小于500 mm，綁扎連接為1.3ll或1.3llE，這就是為什么框架柱豎向受力鋼筋接頭交錯，且規定在距離梁板不小于500 mm高的規定的緣故，如圖10所示。

實際工程中剪力墻豎向鋼筋的接頭位置距離樓面及兩接頭位置錯開距離，梁板柱墻施工縫、后澆帶等鋼筋混凝土結構構件鋼筋接頭位置與數量等均與規避其內力峰值不無關聯，任何形式鋼筋的連接均是對其受力性能的削弱。明白其道理，不論是對于施工或監理崗位，對墻、柱、梁、板或基礎等結構構件的質量控制均有醍醐灌頂之功效。

4 鋼筋偏位對框架梁抗彎承載力的影響

以單筋截面受彎構件為例，矩形截面懸臂梁，截面尺寸240 mm×500 mm，梁頂配筋3Φ25，梁下2Φ12(均為Ⅱ級)，混凝土強度等級C25，因為梁頂鋼筋下沉造成的抗彎承載力降幅見表1。

表1 某單筋矩形鋼筋偏位抗彎承載力變化

從表1中可以得出，該梁頂鋼筋安裝偏差(下移)每30 mm為基準，抗彎承載力下降達7.7%。

5 結語

框架結構節點的設計，理論已比較成熟，目前應用有YJK軟件、PKPM-BIM等軟件，建立結構正確的計算模型是關鍵，同時充分考慮計算荷載取值及最不利效應組合，給予結構足夠的抗力以滿足結構的安全可靠度，作為施工與監理，要注重施工過程中關鍵節點構造與混凝土澆筑質量，采取有效措施，確保決定框架結構抗壓、彎(拉)、剪抗震承載力的主要因素(如截面尺寸、混凝土保護層厚度、材料強度與主要抗彎抗剪鋼筋的位置、數量、型號及接頭數量方式方面)滿足國家現行規范要求。只有從源頭上對框架結構加以力學分析、認識與探究，重視框架結構關鍵節點“內幕”材料的力學機理，方能整體定性響應結構的內力“需求”，使框架結構不論是在使用狀態或施工過程均處于質量可控狀態。