現澆混凝土框架柱施工縫留設位置的力學分析

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

現澆混凝土框架柱不可避免存在留置施工縫的問題，混凝土澆筑過程中由于施工工序、天氣、供料等原因產生的中斷澆筑后，在混凝土初凝后再次連續澆筑，直至澆筑完畢，形成的一次次新老混凝土結合面，這個結合面就是施工縫。我國學者對現澆混凝土框架結構柱施工縫處的抗震性能進行了關注[1,2]，并取得了一定成果。但是，探討施工縫設置是否合理卻較為鮮見，因此，按照現行規范施工縫設置原則，改進現有施工縫留設方案仍值得我們深入思考。

1 工程案例

2008年5月12日我國四川汶川特大地震，2010年4月14日青海玉樹地震，2013年4月20日四川蘆山大地震，均給當地人民生命與財產造成巨大損失。震害調查發現，框架結構并未實現“強柱弱梁”屈服破壞機制，框架結構大多在柱端梁上下(施工縫留設部位)，產生塑性鉸造成柱端壓潰(見圖1)。

施工縫成為框架柱截面的嚴重薄弱面。雖然造成這種破壞現象的原因非常復雜，諸如結構出現塑性鉸后內力分布規律不再遵從彈性內力分布計算；框架梁支座實際超配負筋；框架柱軸壓比過大或柱截面偏小；箍筋未按規范要求加密或配箍率過小等，但破壞均發生在施工縫處，未見柱中段潰散。

2 框架柱施工縫問題理論研究

我國規范公式中沒有體現施工縫的不同位置對結構抗力計算的影響，研究施工縫對框架結構的整體性與抗震性能的影響，一般通過試驗研究或軟件模擬進行，近幾年國內學者對此研究越來越多，閻西康等[3]制作了帶施工縫與不帶施工縫類型的兩榀兩層兩跨鋼筋混凝土框架模型，通過對其進行擬靜力對比試驗，發現帶施工縫(柱頂端與柱底端)框架的耗能能力均比不帶施工縫框架低，且帶施工縫框架在框架柱底層與頂層易形成塑性鉸破壞機制，但強度退化與剛度退化兩者比較不大。李英民等[4]在現行規范施工縫處理前提下，利用OpenSees軟件分析與試驗結果，研究了帶施工縫柱端受力情況，研究表明，柱施工縫處是薄弱部位，存在明顯應力集中現象，是主裂縫中心，而不帶施工縫的裂縫是隨機的，施工縫處混凝土抗拉強度很小，構件拉應力幾乎全部由縱向鋼筋承擔，柱抗剪能力包括混凝土和鋼筋兩部分，施工縫混凝土抗剪能力僅是整澆混凝土強度的1/2，且與該處壓應力密切相關。李倩[5]建立了在施工縫處進行插筋補強模型，模擬了帶縫、不帶縫與縫中插筋三種情況下的低周反復加載試驗，結果顯示，帶縫柱與不帶縫相比，屈服荷載與最大荷載承載能力下降12%～18%，屈服位移和位移峰值相差不大，而插筋補強的承載能力與變形能力均有顯著改善，通過插筋數量的調整，最大荷載甚至可以超越無縫柱，達到有縫的1.25倍。國外學者研究施工縫構件的力學性能成果與我國學者有類似的結論。但是，這些學者試驗研究的施工縫均設置在框架柱的端部，施工縫設置在其他位置卻極為少見，因此，框架結構中不同位置(如邊柱、中柱、角柱)結構構件施工縫的合理位置探討，以及對結構的整體性與抗震性能影響課題研究任重道遠。

3 框架柱施工縫合理位置的力學分析

3.1 框架模型的建立

以一單跨二層鋼筋混凝土框架結構為例，計算框架柱在水平荷載作用下(如地震作用)的內力圖分布，討論施工縫的合理位置，模擬常見建筑物框架原結構，設鋼筋混凝土框架柱截面尺寸為450 mm×450 mm，梁截面尺寸為250 mm×700 mm，設底層相對柱線剛度為1，則框架梁相對線剛度為1.5，暫不考慮現澆樓面對框架梁的增強作用，考慮底層基礎埋置深度，底層及二層柱高分別取4 800 mm,3 300 mm，跨度6 000 mm，二層與底層柱頂作用水平力分別為200 kN,300 kN，為對稱結構，如圖2所示。

3.2 水平力作用下框架內力計算

將荷載分解為正對稱與反對稱荷載，見圖3，圖4。正對稱荷載作用下，各桿無彎矩；反對稱荷載作用下，取半結構分析并鎖住結點E，C，如圖5所示。AC柱與CE柱受力如圖6所示，采用無剪力分配法計算如下。

1)計算分配系數:

2)計算各桿的固端彎矩:

3)力矩分配與傳遞。

計算過程詳見表1。

表1 桿端彎矩計算

4)彎矩圖與剪力圖。

根據計算結果，作出框架在水平荷載作用下的彎矩圖與剪力圖，分別見圖7，圖8。

3.3 框架柱施工縫合理位置分析

高規[6]第13.8.10條規定，“混凝土施工縫宜留置在結構受力較小且便于施工的位置”。《混凝土工程施工及驗收規范》[7]第7.4.2條文說明：“混凝土施工縫不應隨意留置，其位置應事先在施工方案中確定。確定施工縫位置的原則為：盡可能留置在受力較小的部位；留置部位應便于施工”。可見，規范并沒有明確指定框架柱施工縫的具體位置。但幾乎通常的做法是，框架柱施工縫留在梁底以下20 mm～30 mm處或在梁、板面標高處。

由本案算例計算內力圖可知，二層反彎點在樓面上1 m左右處(柱高中間偏下0.6 m)，一層反彎點在柱高中間偏上0.3 m，剪力在層高范圍內為均值。考慮現澆樓面對框架梁剛度的增強作用，文獻[8]根據框架梁在建筑結構平面位置有所區別，中榀框架取2倍線剛度，邊榀框架取1.5倍線剛度，則本案幾乎可以采用剪力分配法解算內力(本文在此不展開)，如再考慮與豎向荷載組合[9]，仍可以得出同樣結論。

因此，在水平荷載作用下(如地震作用)框架邊柱受力較小部位并不在框架柱的上下端部，即使在框架梁底處，柱截面的彎矩也是非常可觀，考慮本算例的荷載及梁柱線剛度偏差，符合彎剪內力均較小的施工縫應在本層柱高中間段1/3高度范圍內更為合理。4 結語

施工縫處澆筑新混凝土的正確和有效的處理[10]遵從現行驗收規范，施工縫的合理位置與施工縫處保證新老混凝土的粘結質量措施，對增強框架結構抗震性能來說，兩者不可偏廢。

本文通過兩層框架水平力作用下框架柱彎矩剪力圖分析，提出了框架邊柱合理施工縫留設位置，框架邊柱在本層柱高中間段1/3高度范圍內更為合理。其他框架柱施工縫位置有待進一步完善。