淺析鋼筋混凝土框架結構建筑梁柱節點的抗震性能

鋼筋混凝土框架結構因其成熟的建造流程、較低的投資需求和穩定的使用性能成為現代校園建筑中最常見的結構形式。當地震來臨時，屹立不倒的建筑物將是降低人員傷亡及財產損失的關鍵，梁柱節點在建筑物抗震中起到了十分關鍵的作用，專家學者正在緊鑼密鼓地設計更可靠的連接方式。分析了鋼筋混凝土框架結構梁柱節點存在的問題，并對梁柱節點未來的發展方向給出了建議。

鋼筋混凝土結構； 框架結構； 梁柱節點

G712A

工程結構工程結構

［定稿日期］2024-03-29

［基金項目］2023年天水市秦州區科技支撐計劃項目（項目編號：2023-SHFZG-6663）

［作者簡介］ 張小濤（1978—），男，本科，高級工程師，研究方向為建設工程管理。

0" 引言

隨著我國教育事業的蓬勃發展，國內高校招生規模逐漸提高，校園占地面積增加的同時，各大高校也開始進行校舍和基礎設施的擴建。新建項目在規劃時需要考慮結構選型，多數高校會選用多層框架結構或高層框架剪力墻結構，其原因在于框架結構具有較大的內部使用空間，可以根據房間功能要求靈活布置使用方案，更方便作為教學活動場所，無論是教室、部分專業的實訓室、教師休息室或是學生活動中心，都可以安排在框架結構教學樓內。校園建筑物抗震設防不低于重點設防標準，地震期間校園安全的最根本目標是要確保建筑物不倒塌，并將師生傷亡的風險降至最低，其中最令人擔憂的就是節點強度不足，地震時節點發生脆性剪切破壞并最終導致結構坍塌，因此，需要控制結構的延性和能量耗散能力，以滿足地震引起的橫向載荷需求，應做好加固措施，削弱鋼筋混凝土框架結構受地震的影響［1］。因此，需要對鋼筋混凝土框架結構建筑梁柱節點的抗震性能進行分析。

1" 鋼筋混凝土框架結構梁柱節點抗震性能概述

1.1" 鋼筋混凝土結構概述

鋼筋混凝土結構是建筑工程領域內最常見的一種建筑結構，其結構設置是否合理，對于整個建筑工程的質量都有著十分重要的影響［2］。如果按照抗震能力對結構類型進行排序，鋼結構首屈一指，以其輕質高強、造型靈活、建造周期短等優點而廣受歡迎，但因其造價高、維修費用昂貴等弊端也讓校園建筑望而卻步。校內建筑的使用群體相對固定，教師和學生對結構的影響雖然不會很嚴重，但高額的維護費用無法支持鋼結構成為廣泛的校園建筑結構類型［3］。現代化的校園建筑物已經很難出現磚砌體結構，更多的依舊是采用鋼筋混凝土結構，據統計，全國高校建筑中鋼筋混凝土結構建筑占比均達到85%以上，顯然我國多年的建設發展也為校園建筑施工積累了寶貴的經驗。鋼筋混凝土結構基本可以滿足校內建筑所需的各項條件，其外觀上多以標準圖形為主，很難出現薄弱處，雖然沒有鋼結構建筑的大跨度和現代化的造型，但也避免了鋼結構在焊接或加工過程中產生的質量缺陷。校園建筑對抗震性能要求較高，地震反應又是動態的，不是靜態的，隨著地面震動，地面以上的結構部分不會受到任何作用力，在施工時都會想辦法提高抗震能力，比如采用預應力后張法張拉后，進行孔道灌漿就可以有效減輕結構自重，提高抗震抗裂能力。圖1為后張法樓板連接。

1.2" 鋼筋混凝土框架結構

鋼筋混凝土框架結構的主要承重結構為框架柱和框架梁，允許作為非承重結構的墻體對教室進行獨特的設計和分隔，尤其是框架結構外墻可以采用玻璃幕墻作為圍護構件，造型美觀、簡約大方，既滿足了教學樓室內日照條件要求，還能滿足教學活動需要。為了保證鋼筋混凝土框架結構有著足夠的抗震性能，在設計過程中，設計人員需要以建筑抗震設防類別、設防烈度為基礎，選擇合適的抗震措施，提升框架結構的抗震等級，確保框架結構具備良好的抗震性能，達到提升建筑物投入使用后的安全性與穩定性的目的［4］。但是，框架結構的劣勢也是顯而易見的，即便框架結構的整體性比砌體結構強很多，但是僅僅通過框架柱與框架梁來承擔荷載，側向剛度相對較低，能夠滿足一定閾值內的抗震要求，當遇到超過限值的地震時，往往無法承擔荷載導致整棟樓倒塌，而剪力墻結構又因其內部空間所限，很難容納大容量的教學活動。這也成為了校園建筑結構選型的矛盾之一。

1.3" 梁柱節點的抗震作用

地震災害一直是對建筑物結構性能的重要考驗，近期甘肅積石山地震影響范圍較廣，地震后調查表明，框架結構在地震中的破壞是由剪切強度退化和能量耗散能力不足引起的，而框架結構的抗震設計關鍵就在于梁柱節點，這始終是建筑領域專家們研究的熱門關鍵詞。大多數地震是通過斷層帶地殼的突然運動而發生的，這種突然的運動釋放了應變能，導致地震波穿過斷層周圍的地殼，這些地震波會導致地表震動，而這種地表震動是結構工程抗震的主要問題之一。此次地震也波及到了許多地區的高校，鋼筋混凝土框架結構作為我國高校建筑中最常見的結構形式，就很容易在地震中受到損傷。

我國處于環太平洋地震帶中，有近20個小地震帶，部分地區地震頻發，當地震發生時，框架結構多數都是在節點處發生破壞，這說明框架時結構建筑物的安全性、耐久性與節點強度息息相關，梁柱節點在結構中主要起到了連接構件、荷載傳遞和內力分配的作用，在發生地震時，節點受到地震的強度不同，出現的破壞形式也不同，但無論是哪一種地震強度，梁柱節點都是最不容易修復的部位［5］。因此，框架柱與框架梁的連接方式始終是框架結構抗震設計的核心環節。在強震作用下，強柱弱梁的設計仍會導致柱端出現塑性鉸，我國抗震規范對柱軸壓比及箍筋體積配箍率的要求使得即便出現了塑性鉸，仍能保證建筑物屹立不倒，但在全球范圍內出現節點剪切破壞的情況比比皆是。框架梁的變形能力主要取決于梁端塑性轉動量，與混凝土相對受壓區高度相關，箍筋會對構件起到約束作用。在多數發展中國家的老舊建筑中，梁柱節點的強度和剛度逐漸退化也會對鋼筋混凝土框架結構的完整性產生不利影響，因此，需要研究出更有效的結構布置，準確計算現有建筑的強度和抵抗變形的能力，促進開發更安全、更簡單、成本更低的節點設計方案，緩解現階段梁柱節點在地震后出現的壓力。

2" 鋼筋混凝土框架結構梁柱節點現存問題

2.1" 結構設計過于單調

校園建筑結構布置逐漸朝著科技化、創新化發展，但傳統抗震結構的平面布置在強度、剛度和穩定性方面力求對稱，豎向布置力求均勻，同一樓層的框架柱，應該具有大致相同的剛度、強度和延性，保證下部結構的抗側剛度不能小于上部抗側剛度的一定比例，避免出現薄弱層，當建筑的類型、體系、體型較復雜時，宜設置防震縫。較為成熟的建設流程同樣也制約著框架結構的發展，梁柱節點作為鋼筋混凝土框架結構內力分配關鍵的一環，在結構布置上無法調整的過于復雜，這也使得工程師們看見梁柱節點千篇一律的設計只能望洋興嘆。通過合理的節點連接構造設計，可以實現整體連接的良好受力和變形性能。比如通過后澆混凝土和連接構造措施，可以實現等同現澆的設計原則［6］。

2.2" 材料強度提升困難

由于梁柱節點在框架結構中屬于剛節點，個別情況下會做成半鉸接節點，框架結構的垂直荷載通過梁板體系來承擔，再傳給柱，由柱傳給基礎。這種傳力模式要求材料需要具備強度高、正交各向同性等優點。在建筑領域發展歷程中，具備這種特性的材料包括混凝土、鋼結構、磚等，已經十分成熟，很難通過更改材質來提升整體強度，更難以維持整棟建筑物的安全性。尤其對于高校建筑中的頂層柱，無論是否進行了變截面設計，軸向作用的荷載較小，隨著高度的增加，彎矩作用更為突出。如果采用其他材料很難保證建筑物在水平和軸向荷載的作用下而保持穩定。

工程結構張小濤，曲家忻，李晨波： 淺析鋼筋混凝土框架結構建筑梁柱節點的抗震性能

2.3" 施工精度很難保證

常見的鋼筋混凝土框架結構梁柱節點容易出現質量問題，究其原因是施工過程中的質量控制沒能得到保證，施工精度不高導致梁柱節點出現破壞。從現場安裝的角度來看，梁柱節點處模板在支模時就需要把控安裝精度，如果模板不清理干凈或脫模劑涂刷不勻都會造成蜂窩麻面的現象，在檢查模板的標高與垂直度時需要不斷調整模板的位置，螺栓初步固定后還需要復查表面平整度，最后再擰緊螺栓。梁柱節點內鋼筋多且密，主要受力鋼筋和箍筋如果不垂直，箍筋的作用就會大打折扣，部分節點核心區柱箍筋數量不足，在驗收時也會導致成本增加，構件受力后節點位置發生破壞將嚴重影響使用安全。鋼筋混凝土結構建筑成本相對較低，在招投標過程中也比較容易控制成本，但是在進行施工時，部分施工單位在成本、進度、質量等多種因素的綜合考慮下，容易降低工程質量，這就需要建設單位和監理單位對工程質量進行嚴格把關，不僅要嚴格控制驗收，還要重視過程標準，防患于未然。

3" 鋼筋混凝土框架結構梁柱節點發展方向

3.1" 裝配式建筑梁柱節點

裝配式建筑在第二次世界大戰結束后得到了長足的發展，戰后重建要求開發商提高成本競爭力且具備快速組裝基礎設施的能力，在此期間工業和民用建筑的數目都有所增加。鋼結構的高成本反向促進了鋼筋混凝土結構的應用，其在地震中的表現是也世界各地研究人員、從業者和制造商廣泛而深入關注的一個話題，在其他國家，特別是自20世紀80年代初以來的日本、新西蘭和美國，都進行了大量的研究。裝配式建筑靈活的梁柱節點不僅適用于低層工業/商業結構，還適用于學校、醫院等公共和戰略建筑的多層框架，和在中高地震烈度地區建造的高層住宅。自進入21世紀以來，裝配式建筑在我國得到了飛速的發展，相關政策的鼓勵和先進技術的引進都為裝配式建筑增光添彩。裝配式建筑的一大優勢在于因機械化程度高而帶來的施工速度快的特點，這使得工程進度得到了保證，且裝配式建筑在施工過程中不需要太多的環境條件限制，只要按照圖紙生產構件，現場嚴格組裝，就基本上可以保證“批量復制”。裝配式建筑安全牢固的關鍵在于可靠的連接方式，垂直構件與水平構件連接最多的就是梁柱節點，在鋼筋混凝土結構梁柱節點中如果可以多采用裝配式構造，提升整體裝配化，比如在預制節點套筒連接中灌入高一等級的無收縮膨脹砂漿，就可以保證裝配式節點不低于現澆節點的工程力學性能。

3.2" 新材料融合現澆混凝土梁柱節點

在科技迅猛發展的21世紀，幾乎每年都有“利大于弊”的新興材料問世，單從抗震角度考慮，作為一種優秀的抗震建筑材料，需要具備的特點不僅僅是材料的物理性能優越，還需要綜合考慮成本、美觀、建筑物整體重量等。長期被地震襲擾的日本在建筑抗震領域下足了功夫，他們在東京都市圈進行了大范圍的結構加固改造活動，木結構占比較大的日式古建筑在新型復合材料的精妙點綴下完成了結構性能的提升。常規設計下或許使用外包鋼材方法加固更為實用，但是鋼材的重量較大、影響了整體建筑重量又是需要考慮的問題。碳纖維材料質量輕、抗拉強度高、產量穩定等優點使它被廣泛應用在風電、新能源汽車、人工智能等前沿領域。因此，日本的設計事務所創新地考慮對重要的梁柱節點部分進行碳纖維加固，多股碳纖維繩呈拉結狀布置在梁柱節點間，顯著增強其抗震能力。如圖2所示的新材料融合梁柱節點。

3.3" 新型構造梁柱節點

眾多國內外學者都在嘗試在框架結構中設計新型構造梁柱節點來連接不同的結構受力構件，以確保在施工過程簡便的同時減少安裝階段產生的偏差問題和自身承載能力，從而提高進度和降低施工成本，并由此實現商業或市場銷售的最大化。如圖3所示的榫卯結構。

現代建筑可以通過設計成其他形式的節點來避免倒塌，一個有效的地震工程設計要求設計者去控制建筑物在地震周期內的全部反應。這可以通過提供必要的連接方式來防止建筑物倒塌的不確定性。比如在進行節點設計時，考慮使用榫卯結構增加節點間的連接面積，通過這種連接方式，不但可以承受較大的荷載，還可以消除一部分地震能量。這種梁柱節點還具有安全可靠、抗震、易建造、易拆卸及可回收利用的優點［7］。

4" 結束語

目前校園新建建筑還需要考慮更多的因素，如教學硬件設施對設計的影響、學校資金預算對建設的限制、時間管理與進度控制、風險管理與師生安全保障等。隨著專家學者們對鋼筋混凝土框架結構抗震研究的深入，梁柱節點將實施更廣泛的改造應用，如考慮地震隔離和新增能源耗散裝置或采用不同的節點類型等。本文研究范圍內沒有考慮許多細節方面的問題，后續研究建議將重點放在抗震改造中的連接設計上。隨著新型建筑材料的問世，新型梁柱節點將在高校鋼筋混凝土框架結構中得到更廣泛的應用。

參考文獻

［1］" 齊特，尹醉.混凝土框架結構教學樓抗震加固設計與施工研究［J］.工程建設與設計，2022（24）：141-143.

［2］" 陳保強.鋼筋混凝土結構梁柱節點抗震性能研究［J］.江西建材，2021（9）：67-68+70.

［3］" 雷帆.混凝土框架結構房屋質量檢測及抗震鑒定方法［J］.石材，2023（11）：113-115.

［4］" 張曉偉.鋼筋混凝土框架結構的設計要點［J］.石材，2023（10）：64-66.

［5］" 李進，張嬌磊，李書鋒，等.某新型梁柱節點的裝配式鋼筋混凝土框架結構基于性能的抗震設計研究［J］.地震工程學報，2020，42（6）：35-43.

［6］" 吳剛，馮德成.裝配式混凝土框架節點基本性能研究進展［J］.建筑結構學報，2018，39（2）：1-16.

［7］" 朱慧靈，游馥陽，晏彥馨，等.基于傳統榫卯節點的裝配式純木梁柱連接節點設計與應用研究［J］.住宅與房地產，2022（14）：26-29.