鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)淺析

鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)淺析鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)淺析

摘要：鋼筋混凝土抗震框架梁柱節(jié)點(diǎn)是受力較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部位，針對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)在鋼筋混凝土框架中的重要性，本文結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行抗震標(biāo)準(zhǔn)分析了提高梁柱節(jié)點(diǎn)抗彎承載力及抗剪承載力的有效途徑。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；框架；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU37文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

鋼筋混凝土框架，由于其自身側(cè)向剛度較小，地震作用引起的側(cè)向位移較大，合理的抗震措施成為框架抗震性能實(shí)現(xiàn)的有利保證。

一、引言

汶川地震說明：“強(qiáng)柱弱梁〞是框架抗震設(shè)計(jì)中不容無視的重要內(nèi)容，也是實(shí)現(xiàn)梁鉸屈服機(jī)制的重要結(jié)構(gòu)措施。試驗(yàn)研究說明，梁端屈服型框架有較大的內(nèi)力重分布和能量消耗能力，極限層間位移大，抗震性能較好；柱端屈服型框架容易形成倒塌機(jī)制。

“強(qiáng)柱弱梁〞的根本概念就是在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生大的水平位移進(jìn)入非彈性階段時(shí)，為使框架仍有承受豎向荷載的能力而免于倒塌，要求塑性鉸首先在梁上形成，而防止在吸收地震能量較少的框架柱出現(xiàn)塑性鉸。對(duì)于超靜定框架，由于存在多余約束，當(dāng)某一截面出現(xiàn)塑性鉸后，內(nèi)力重分布，并不會(huì)立即導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。但是塑性鉸出現(xiàn)在框架柱上比出現(xiàn)在框架梁上有更嚴(yán)重的后果。因?yàn)榭蚣苤霈F(xiàn)塑性鉸，隨之而來的是產(chǎn)生大的層間位移，導(dǎo)致建筑物的永久偏斜，接著會(huì)引起失穩(wěn)。比擬好的方法是出現(xiàn)梁鉸。

框架只能在自身平面內(nèi)抵抗側(cè)向力，必須在兩個(gè)正交的主軸方向設(shè)置框架，以抵抗各個(gè)方向的側(cè)向力。框架柱和梁軸線宜重合，不宜偏心。當(dāng)梁柱中先不能重合時(shí)，應(yīng)考慮偏心對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)和框架柱受力的不利影響，梁寬度不滿足要求時(shí)，應(yīng)采取加腋措施至滿足?高規(guī)?第6.1.7條的要求。

梁柱節(jié)點(diǎn)將框架梁和框架柱連接在一起，是框架的重要組成局部。就節(jié)點(diǎn)而言，那么要求在地震作用時(shí)豎向荷載下鄰近節(jié)點(diǎn)的柱端抗彎強(qiáng)度必須大于梁的抗彎強(qiáng)度。寧可發(fā)生鋼筋受彎屈服破壞，而不允許產(chǎn)生混凝土壓碎、剪切破壞和錨固破壞。因此對(duì)節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土要求有足夠的約束和配置足夠的抗剪鋼筋，即使保護(hù)層剝落時(shí)仍能保持傳遞豎向荷載和水平剪力。

二、下面分別從抗彎承載力、抗剪承載力和抗壓強(qiáng)度三方面進(jìn)行討論

1.框架節(jié)點(diǎn)區(qū)抗彎承載力

主要是指鄰近節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的柱端和梁端截面如何實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁〞的要求?！皬?qiáng)柱弱梁〞的具體含義是：任何一個(gè)框架梁柱節(jié)點(diǎn)，在最不利的設(shè)計(jì)軸力作用下，鄰近節(jié)點(diǎn)上下的柱端的抗彎能力之和必須大于同一平面內(nèi)各梁所承當(dāng)?shù)臉O限抗彎能力之和。梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)滿足節(jié)點(diǎn)處柱端實(shí)際受彎承載力和梁端實(shí)際受彎承載力應(yīng)滿足以下不等式：。

?抗震標(biāo)準(zhǔn)?第6.2.2條規(guī)定：一、二、三、四級(jí)框架的梁柱節(jié)點(diǎn)處，除框架頂層和柱軸壓力小于0.15者及框支梁與框支柱的節(jié)點(diǎn)外，柱端組合彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)符合下式要求：；一級(jí)框架結(jié)構(gòu)和9度的一級(jí)框架可不符合上式要求，但應(yīng)符合下式要求：。

1〕影響“強(qiáng)柱弱梁〞的主要因素：

梁端負(fù)彎矩

由上圖可以看出，梁端負(fù)彎矩是影響“強(qiáng)柱弱梁〞的重要因素，梁端負(fù)彎矩越大，那么對(duì)框架柱的要求越高；因此，適當(dāng)降低梁端負(fù)彎矩?cái)?shù)值，對(duì)“強(qiáng)柱弱梁〞的實(shí)現(xiàn)具有積極的意義。

梁端正彎矩

由上圖還可以發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算中，梁端正彎矩與節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的梁端負(fù)彎矩組成強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算的梁端力偶，合理取用梁端正彎矩?cái)?shù)值，同樣對(duì)強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)具重要意義。

梁端實(shí)配鋼筋面積

梁端實(shí)配鋼筋面積直接影響梁端受彎承載力，合理控制梁端實(shí)配鋼筋與計(jì)算鋼筋的比例關(guān)系，對(duì)強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)意義重大。

2〕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議

抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量考慮框架梁的塑性內(nèi)力重分布，采用柱邊緣截面處的梁端內(nèi)力設(shè)計(jì)值。

構(gòu)件的裂縫寬度驗(yàn)算中，宜采用考慮塑性內(nèi)力重分布的分析方法，采用柱邊緣截面處的梁端內(nèi)力設(shè)計(jì)值，確保構(gòu)件的裂縫寬度驗(yàn)算不致給強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算增加新的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，建議按梁的凈跨單元驗(yàn)算框架梁梁端的裂縫寬度。

正確區(qū)分框架梁梁中截面配筋要求與框架梁端部截面梁底配筋的不同概念，控制梁端下部實(shí)際配筋數(shù)量與強(qiáng)柱弱梁計(jì)算中梁底配筋的計(jì)算值不致相差太大。

嚴(yán)格控制梁端實(shí)配鋼筋，對(duì)梁端負(fù)彎矩鋼筋不應(yīng)超配，對(duì)梁端正彎矩鋼筋應(yīng)控制超配比例。

在進(jìn)行梁的配筋設(shè)計(jì)及梁端裂縫驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)考慮梁端實(shí)配受壓鋼筋的作用，以適當(dāng)減小梁頂配筋，有利“強(qiáng)柱弱梁〞的實(shí)現(xiàn)。

2.框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)抗剪承載力

框架節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)烈地震作用下，往往發(fā)生節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)剪切破壞。其原因是梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)承受很大的剪力。考慮到框架節(jié)點(diǎn)的“強(qiáng)剪弱彎〞，梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的受剪承載力應(yīng)大于梁的彎曲屈服超強(qiáng)引起的剪力。

核芯區(qū)截面抗震驗(yàn)算方法應(yīng)符合?抗震標(biāo)準(zhǔn)?附錄D的規(guī)定，由公式可知：影響框架梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)抗剪承載力的主要因素是節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)有效驗(yàn)算寬度及正交梁的約束影響系數(shù)，而、均與梁柱截面的寬度比值有關(guān)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)采取提高、的有效措施。

1〕提高框架梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)抗剪承載力的途徑很多，但主要的是加大框架梁對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的約束，可直接加大框架梁的截面寬度或在框架梁的端部設(shè)置水平加腋。

2〕當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的實(shí)際抗剪承載力與標(biāo)準(zhǔn)要求相差不多，且框架梁寬略小于1/2框架梁的截面寬度時(shí)，可結(jié)合工程實(shí)際情況適當(dāng)加大框架梁的截面寬度，以滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)框架梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的抗震承載力驗(yàn)算要求。

3〕當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的實(shí)際抗剪承載力與標(biāo)準(zhǔn)要求相差鉸多，且框架梁寬遠(yuǎn)小于1/2框架梁的截面寬度時(shí)，可結(jié)合工程實(shí)際情況，在框架梁端部設(shè)置水平加腋，以加大框架梁對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的約束，以滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)框架梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的抗震承載力驗(yàn)算要求。

當(dāng)柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)比梁高較多時(shí)，且梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土強(qiáng)度等級(jí)隨梁板時(shí)，可根據(jù)工程具體情況，采取綜合措施，整體加大梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域，既提高框架梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)抗剪承載力，又可滿足節(jié)點(diǎn)區(qū)采用低強(qiáng)度等級(jí)的驗(yàn)算問題。

3.框架節(jié)點(diǎn)區(qū)抗壓強(qiáng)度

梁柱節(jié)點(diǎn)作為框架柱的一局部應(yīng)能傳遞上面框架柱的軸向壓力。為了使框架柱與梁柱節(jié)點(diǎn)有較好的延性與足夠的抗壓強(qiáng)度，除應(yīng)適當(dāng)限制節(jié)點(diǎn)中軸向壓應(yīng)力的數(shù)值外，并要求對(duì)節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土在水平方向進(jìn)行適當(dāng)?shù)募s束。這種約束可由框架柱的縱向鋼筋和節(jié)點(diǎn)四周的梁來提供，或在核芯區(qū)內(nèi)配備必要的橫向鋼筋，形成所謂“約束混凝土〞。

在鋼筋混凝土構(gòu)件中，可以通過設(shè)置密排螺旋筋或與應(yīng)力方向相垂直的封閉箍筋，即可認(rèn)為是“約束混凝土〞。這些橫向鋼筋在一開始是沒有應(yīng)力的，此時(shí)混凝土根本上不受約束，只是在混凝土應(yīng)力接近其極限強(qiáng)度時(shí)，混凝土內(nèi)部裂縫引起體積膨脹使螺旋筋或箍筋受拉，反過來，螺旋筋或箍筋就約束了混凝土。當(dāng)約束起作用時(shí)，那些未受約束的混凝土保護(hù)層會(huì)剝落，但是受約束的核芯區(qū)所增加的強(qiáng)度將能彌補(bǔ)由于保護(hù)層剝落而產(chǎn)生的強(qiáng)度損失。

框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的抗震構(gòu)造措施尚應(yīng)符合?抗震標(biāo)準(zhǔn)?第6.3.10條規(guī)定：框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)箍筋的最大間距和最小間距宜按?抗震標(biāo)準(zhǔn)?第6.3.7條采用，一、二、三級(jí)框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)配箍特征值分別不宜小于0.12、0.10和0.08，且體積配箍率分別不宜小于0.6%、0.5%和0.4%。柱剪跨比不大于2的框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)，體積配箍率不宜小于核芯區(qū)上、下柱端的較大體積配箍率。

三、結(jié)語

通過以上對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度要求的分析，抗震設(shè)計(jì)要求弱梁、強(qiáng)柱、節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)，可見節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重要性。在對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)及與節(jié)點(diǎn)相連接的結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的抗震性能應(yīng)進(jìn)行充分的分析，并加強(qiáng)其構(gòu)造措施，以提高梁柱節(jié)點(diǎn)在地震作用下的承載力和延性。通過抗震概念設(shè)計(jì)使鋼筋混凝土框架成為延性耗能框架。