梁柱節點核心區混凝土強度不足的解決方案

李偉 儲山

(安徽藝維建筑科技研究院有限公司，安徽 合肥 230071)

對于高層框架結構或框架-剪力墻結構，由于柱軸壓比及柱截面尺寸所限，框架柱混凝土強度等級一般均高于梁板混凝土強度等級。對于梁柱節點區的混凝土強度等級，傳統設計及施工多采用局部做高強混凝土，即與豎向構件混凝土強度等級保持相同。這會給施工帶來困難，施工質量不易保證。實際工程中也經常會出現梁柱節點核心區的實際混凝土強度等級不滿設計要求的情況。本文結合一個實際工程案例，采用折算強度復核節點核心區的承載力驗算，探討該類問題的解決思路。

1 工程概況

某高層辦公樓，地上18層地下2層，結構形式為框架-核心筒結構。一層及二層層高4.5m，三層及以上層高3.9m。基礎頂至三層樓面標高墻柱混凝土強度等級C60，梁板混凝土強度等級C30；三層樓面至六層樓面標高墻柱混凝土強度等級C55，梁板混凝土強度等級C30；六層樓面標高以上墻柱混凝土強度等級逐步降低至C30。本工程框架柱截面為900×900，框架梁截面為450×900。該工程設計使用年限50年，建筑結構的安全等級為二級。工程所在地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.1g，設計地震分組第一組，結構抗震等級二級。

2 問題簡述及原因分析

2.1 問題簡述

該工程施工至九層時進行結構分部驗收，發現一～三層梁柱節點核心區混凝土存在色差現象，如圖1所示。

圖1 梁柱混凝土色差圖

原設計要求梁柱節點核心區混凝土強度等級與柱混凝土強度等級相同，本工程根據色差現象初步判斷梁柱節點核心區的混凝土強度存在差異，可能不滿足原設計要求。經施工單位初步回彈檢測，梁柱節點核心區上部混凝土強度約為C30～C40，不滿足設計C60要求。

后經第三方檢測公司采用回彈法及鉆芯法進行混凝土強度檢測，部分檢測數據見表1。從表中可以看出，柱身混凝土強度均大于C60，框架梁混凝土強度均大于C30，均滿足原設計要求；梁柱節點核心區柱頂部位混凝土強度小于C60，不滿足原設計要求。

表1 混凝土強度檢測數據

2.2 原因分析

梁柱節點核心區混凝土強度等級不同會增加施工難度，可采用相應的處理方法解決該問題。但是實際工程設計中，更多的是要求梁柱節點核心區混凝土強度等級與柱等同。在高層鋼筋混凝土結構中，對于框架結構和框架-剪力墻結構而言，梁柱節點核心區受力復雜，鋼筋密集，根據規范強節點弱構件的設計理念，梁柱節點區的設計與施工均較為重要。根據前文所述，當梁柱節點區的混凝土強度等同于柱混凝土強度時，就要求實際工程施工中要分開澆筑柱(梁柱節點區)和梁板混凝土，一般先澆筑高強度等級混凝土，采取有效措施進行隔離，然后在混凝土未達初凝時間時再澆筑梁板的低強度等級混凝土。這里有兩個較為重要的問題需要解決，就是阻斷措施和澆筑時間，施工中應采取有效措施防止高強度等級混凝土流掉而影響節點核心區混凝土強度，當強度等級較高的混凝土澆筑至一定范圍時開始澆筑低等級的混凝土，要避免出現低等級混凝土流入梁柱節點核心區的情況。

目前商品混凝土已普遍采用，其塌落度較大，在梁柱節點處只澆筑高強度等級的混凝土會導致支模困難，節點處先澆筑的高強混凝土可能會流淌較遠，所以會導致施工質量不易保證。本工程在梁柱節點區混凝土澆筑時未采取有效的隔離措施，僅采用鋼絲網做簡單隔離，導致節點核心區高強混凝土流掉，后澆筑的梁板部分的低標號混凝土流入框架柱柱頭，造成梁柱節點核心區柱頂部位混凝土強度不足。

3 折算強度計算

3.1 折算強度計算理論

根據《全國民用建筑工程設計技術措施》(混凝土結構)附錄A.0.8，當梁柱節點核心區周圍有梁板相連時，節點核心區混凝土受到約束，混凝土的極限應變和強度都得到提高。提高程度受到梁板約束程度、混凝土強度相差程度、柱子的豎向鋼筋含量和梁的水平鋼筋含量以及荷載偏心等影響，中柱節點區四周有梁約束，效果較好，極限應變和強度提高最大，邊柱次之，角柱較差。

對于梁柱節點區混凝土強度與梁板混凝土強度相同的做法，國內外做了很多試驗研究，借以推導梁柱節點核心區的混凝土折算強度。對于中柱，美國在其混凝土規范中提出下列計算公式：

fce=0.75fcc+0.35fcs≤ fcc

(A.0.8-1)

式中：fce—梁柱節點核心區的混凝土折算強度；

fcs—梁板的混凝土強度；

fcc—柱的混凝土強度。

另外，加拿大規范CSAA23.3-94也有類似規定，對于中柱，提出梁柱節點區混凝土折算強度計算公式為：

fce=0.25fcc+1.05fcs≤ fcc

(A.0.8-2)

通過計算可見，根據加拿大規范的公式計算所得的梁柱節點核心區混凝土折算強度小于美國規范，相對較安全，建議采用。另外還有學者提出如下計算公式(適用于中柱)：

(A.0.8-3)

式中：h為板厚(梁高)，c為方形柱單邊長。

綜上所述，當柱混凝土強度與梁板混凝土強度不同，梁柱節點區混凝土強度等級與梁板混凝土一致時，可以采用上述方法計算梁柱節點核心區混凝土的折算強度，用折算強度來驗算梁柱節點核心區的抗剪承載力與抗壓承載力，如承載力滿足要求，則結構承載力滿足要求。

3.2 折算強度計算

以本工程中柱(7/E、4/G)梁柱節點為例，原設計一～三層柱混凝土強度等級為C60，梁板混凝土強度等級為C30，梁柱節點核心區混凝土強度與柱相同。根據本工程混凝土強度檢測報告，7/E軸處實測柱混凝土強度64.6MPa，梁混凝土強度34.3MPa；4/G軸處實測柱混凝土強度67.6MPa，梁混凝土強度33.9MPa。折算強度計算時柱混凝土強度取不超過C60。

根據《全國民用建筑工程設計技術措施》(混凝土結構)公式A.0.8-2，梁柱節點核心區混凝土折算強度計算如下：

7/E軸處：fce=0.25×60+1.05×34.3=51.0 MPa

4/G軸處：fce=0.25×60+1.05×33.9=50.6 MPa

根據《全國民用建筑工程設計技術措施》(混凝土結構)公式A.0.8-3，梁柱節點核心區混凝土折算強度計算如下：

根據公式A.0.8-3計算所得折算強度大于公式A.0.8-2，故取按公式A.0.8-2計算所得的節點核心區混凝土折算強度。

4 復核驗算

前文計算了典型中柱的梁柱節點核心區混凝土折算強度，然后即可根據此折算強度進行節點核心區的承載力驗算。但是實際工程中，梁柱節點核心區混凝土折算強度還受邊柱角柱、梁柱截面、是否偏心等諸多因素的影響，現總結如下。

4.1 復核約束條件

1)對于中柱，可按《全國民用建筑工程設計技術措施》(混凝土結構)公式A.0.8-2、3計算梁柱節點混凝土折算強度，偏安全考慮，二者取小值。對于梁板結構，如果梁寬小于柱寬的1/2，或者梁與柱形成較大偏心，則應在梁端部位設置水平加腋以加強梁柱節點核心區混凝土的約束作用。

2)對于邊柱和角柱，需根據帶不帶懸挑樓板區別對待。若帶懸挑梁板，懸挑長度不小于柱截面尺寸的2倍時，可按中柱對待；否則應按《全國民用建筑工程設計技術措施》(混凝土結構)公式A.0.8-4～6進行節點區混凝土折算強度的計算。

4.2 梁柱節點核心區承載力驗算

以節點區折算強度來進行梁柱節點核心區的承載力驗算。梁柱節點核心區抗剪承載力應滿足《混凝土結構設計規范》11.6.2～11.6.4條要求；抗壓承載力應滿足《混凝土結構設計規范》6.2.15～6.2.17條要求。

4.2.1 梁柱節點核心區抗剪承載力驗算

以4/G軸處框架柱節點為例，根據《混凝土結構設計規范》11.6.4條，梁柱節點的抗剪承載力應滿足如下要求。

式中：Vj—梁柱節點核心區剪力設計值，本工程Vj為983.23kN；

γ—抗震調整系數，本工程取0.85；

η—正交梁對節點的約束影響系數，本工程取1.5；

f—混凝土軸心抗拉強度設計值，本工程按折算強度取1.89N/mm；

b—梁柱節點核心區截面有效驗算寬度，本工程取900mm；

h—梁柱節點核心區截面高度，本工程取900mm；

N—柱底部軸力設計值，本工程N為10727.20kN；

bc—節點核心區柱截面寬度，取900mm；

f—節點核心區箍筋抗拉強度設計值，本工程取360 N/mm；

A—節點核心區驗算方向箍筋各肢截面面積和，本工程為直徑12的6肢箍，A取679 mm；

h—框架梁截面有效高度，本工程取840mm；

as—梁縱向受壓鋼筋合力點至截面近邊距離，本工程取60mm；

s—節點核心區箍筋間距，本工程取100mm。

根據上述公式及參數取值，本工程梁柱節點核心區抗震受剪承載力計算結果為：983.230kN≤6161.36kN，滿足要求。可見梁柱節點核心區抗剪承載力富余量較大。

4.2.2 梁柱節點核心區抗壓承載力驗算

以4/G軸處框架柱節點為例，根據《混凝土結構設計規范》6.2.15條，梁柱節點的正截面受壓承載力應滿足如下要求：

N≤0.9Φ(fcA+fyAs)

式中：N—軸向壓力設計值，本工程取值10727.20kN；

Φ—鋼筋混凝土構件的穩定系數，本工程取1.0；

fc—混凝土軸心抗壓強度設計值，本工程取23.1N/mm；

A—構件的截面面積，本工程為810000mm；

fy—受壓鋼筋抗壓強度設計值，本工程為360mm；

As—全部縱向普通鋼筋的截面面積，本工程為6543mm；

根據上述公式及參數取值，本工程梁柱節點核心區受壓承載力計算結果為：10727.20kN≤21066.48kN，滿足要求。可見梁柱節點核心區受壓承載力也有較大富余量。

根據國內諸多工程案例，按前文方法計算的折算強度，都能滿足工程承載力要求。這是因為在抗震結構中，高層建筑柱截面是由軸壓比決定的，因此其截面尺寸及配筋都有富余。若節點核心區承載力驗算不滿足規范要求，則需對節點進行加固處理。

4.3 柱軸壓比

若以節點核心區混凝土折算強度復核柱的軸壓比，很可能會存在軸壓比不滿足規范要求的情況，因為折算強度一般小于柱混凝土強度。對于這種情況，《全國民用建筑工程設計技術措施》(混凝土結構)中并沒有明確的規定。根據《建筑抗震設計規范》6.3.6條文說明，限制框架柱的軸壓比主要是為了保證柱的塑性變形能力和保證框架的抗倒塌能力，而且，利用箍筋對混凝土進行約束，可以提高混凝土的軸心抗壓強度和混凝土的受壓極限變形能力，但在計算柱的軸壓比時仍取無箍筋約束的混凝土的軸心抗壓強度設計值，未考慮箍筋約束對混凝土軸心抗壓強度的提高作用。據此，作者認為不應以節點核心區折算強度來驗算柱軸壓比，只要柱混凝土強度滿足軸壓比要求即可。

4.4 本工程復核計算結果

本工程一～三層所有梁柱節點處節點核心區在柱頂范圍實測混凝土強度均小于原設計要求的C60，故對所有梁柱節點核心區進行復核驗算。依據各部位不同情況分別計算各梁柱節點核心區混凝土折算強度，按折算強度復核節點核心區承載力驗算，并按折算強度代入整體計算模型復核計算。

整體模型計算結果，結構樓層抗剪承載力、周期、位移角及位移比等整體指標均滿足規范要求；柱計算配筋與原設計相比沒有變化；按折算強度計算局部框架柱軸壓比不滿足規范要求，但按柱混凝土強度計算均滿足。所有梁柱節點核心區按折算強度進行承載力驗算，均滿足規范要求。因此，梁柱節點核心區折算強度可以滿足本工程對于柱的承載力要求，現有梁柱節點核心區混凝土強度滿足結構承載要求。

5 結語

梁柱節點不同強度等級的混凝土施工作為工程施工的重難點，關系到建筑工程的整體施工質量。梁柱節點核心區采用高強混凝土會增加施工的困難，導致施工質量不易保證。設計中可提前考慮該因素，采用梁柱節點區混凝土與梁板混凝土等強一起澆筑，此時應滿足前文所述的相關要求。若實際工程中出現梁柱節點區混凝土強度不滿足設計要求的情況，可采用折算強度復核驗算梁柱節點核心區的承載力。本文提供的計算方法和解決該問題的思路可供建筑工程設計人員和施工人員參考。