高層建筑框架梁柱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度驗(yàn)算和施工處理

楊　娟

摘 要：高層建筑框架梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土如何澆注才能滿足承載力要求，是長期困擾著設(shè)計(jì)和施工人員的一個(gè)問題，文中根據(jù)《高規(guī)》的定性規(guī)定，經(jīng)定量驗(yàn)算而總結(jié)出一種節(jié)點(diǎn)區(qū)簡易處理方法，望能得到同行的認(rèn)可和接受，并在實(shí)際工程中加以運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：高層；框架；強(qiáng)度；施工

1 規(guī)范條文摘錄

在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）中，有關(guān)框架梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土的設(shè)計(jì)和澆注有以下的條文內(nèi)容及條文說明：

——當(dāng)柱混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度高于梁、樓板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)混凝土施工采取有效措施（第13.5.7條）；

——高層建筑不同強(qiáng)度的梁、柱節(jié)點(diǎn)混凝土澆筑需要有關(guān)單位具體協(xié)商解決（條文說明）；

——抗震設(shè)計(jì)時(shí)，一、二級(jí)框架的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)應(yīng)按本規(guī)程附錄C進(jìn)行抗震驗(yàn)算；三、四級(jí)框架節(jié)點(diǎn)以及各抗震等級(jí)的頂層端節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，可不進(jìn)行抗震驗(yàn)算（第6.2.7條）。

——凡是梁柱節(jié)點(diǎn)之混凝土強(qiáng)度低于柱混凝土強(qiáng)度較多者，皆必須仔細(xì)驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)區(qū)的承載力，包括受剪、軸心受壓、偏心受壓等，并采取有效的構(gòu)造措施（條文說明）。

由此可以看出，規(guī)程對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土的設(shè)計(jì)及施工并未作出明確的規(guī)定，而在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工中，這一問題是不可能回避的，因此尋求一種梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土合理設(shè)計(jì)和便利施工的方法正是本文的目標(biāo)。

2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中的現(xiàn)實(shí)問題

2.1 為了滿足柱軸壓比的要求，同時(shí)又要控制柱截面不過大，柱子采用較高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土是一種必然。而對(duì)于以受彎為主的樓層梁板，過高的混凝土強(qiáng)度等級(jí)卻是不需要且不適宜的，前者指對(duì)其抗彎承載力的貢獻(xiàn)不明顯，后者則指對(duì)構(gòu)件承受非荷載應(yīng)力（混凝土收縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力等）不利。正因如此，《高規(guī)》第6.1.9條才有“現(xiàn)澆框架梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜高于C40”的規(guī)定，但實(shí)際工程設(shè)計(jì)中樓蓋合適的混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)為C25～C35。由此可見，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的柱混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度高于梁板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度必然存在，而且隨著建筑物高度的增大，兩者的設(shè)計(jì)強(qiáng)度差距會(huì)越大，當(dāng)然該區(qū)段主要存在于高層建筑的下部。

2.2 目前混凝土的澆筑施工幾乎都是采用商品混凝土泵送工藝，而且習(xí)慣于將豎向構(gòu)件與水平構(gòu)件分兩批集中澆注（即節(jié)點(diǎn)區(qū)采用樓蓋混凝土強(qiáng)度等級(jí)澆注）。如果要求其中的梁柱節(jié)點(diǎn)單獨(dú)澆注，則首先是其供應(yīng)量及澆注時(shí)間不易控制而會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量事故，其次是節(jié)點(diǎn)區(qū)與梁板之間的分隔確實(shí)存在難度，故施工單位至少不希望大面積采用此方法。

3 受剪、受壓驗(yàn)算規(guī)律

考慮到現(xiàn)場施工的操作程序，同時(shí)又要滿足規(guī)范中對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)承載力的要求，我們列舉數(shù)例對(duì)典型節(jié)點(diǎn)區(qū)的受剪、軸心受壓、偏心受壓進(jìn)行計(jì)算（其過程附后）。通過驗(yàn)算可得出以下規(guī)律：

3.1 按《高規(guī)》附錄C進(jìn)行受剪抗震驗(yàn)算，即使柱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)相差20MPa，而節(jié)點(diǎn)區(qū)用樓蓋混凝土強(qiáng)度等級(jí)澆注，其節(jié)點(diǎn)核心區(qū)截面的受剪承載力仍可以滿足要求。

3.2 在偏心受壓驗(yàn)算中，當(dāng)梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)比柱低5MP a時(shí)，其受壓強(qiáng)度可以滿足要求；當(dāng)兩者的混凝土強(qiáng)度等級(jí)相差10MPa及以上時(shí)，其受壓強(qiáng)度不滿足要求。

3.3 當(dāng)梁板比柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)低10MPa及以上而仍用梁混凝土澆注節(jié)點(diǎn)區(qū)，則對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)必須采取措施。從偏心受壓公式N ≤ 0.9（fc A cor＋f y As＋2αfy A sso）中的3項(xiàng)抗壓數(shù)值來看，第1項(xiàng)即節(jié)點(diǎn)區(qū)截面混凝土抗壓強(qiáng)度是不可變更的；第3項(xiàng)即箍筋提供的抗壓強(qiáng)度所占的比例最小，且一般設(shè)計(jì)不可能改變節(jié)點(diǎn)區(qū)的配箍規(guī)格；第2項(xiàng)即節(jié)點(diǎn)區(qū)豎向鋼筋提供的抗壓強(qiáng)度所占比例較大，且若采用HRB400鋼（fy=360N/mm2）來增加節(jié)點(diǎn)區(qū)的豎向配筋率則可顯著提高其抗壓強(qiáng)度。

4 施工措施

考慮到梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)需要處理的都在高層建筑的下部，該區(qū)段的柱主筋配率一般接近或略大于1%，因此根據(jù)以上規(guī)律可將節(jié)點(diǎn)區(qū)的施工措施歸納如下：

4.1 當(dāng)梁板與柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)僅相差5MPa時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)完全可以與樓蓋一起澆注；

4.2 當(dāng)梁板比柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別低于10MPa和15MPa時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)需增設(shè)豎向短筋，其數(shù)量分別為柱主筋配筋量的50%和100%。

4.3 當(dāng)梁板比柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)低20MPa及以上時(shí)，再靠增設(shè)節(jié)點(diǎn)區(qū)豎向短筋來提高其抗壓強(qiáng)度已不可行，其原因一是無法布筋，二是短筋數(shù)量太大。此時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)需采用與柱同等級(jí)混凝土單獨(dú)澆注，雖然有一定的施工難度且需有較嚴(yán)密的施工組織措施，但所占的分量不很大，仍可以接受。

偏心受壓計(jì)算公式中沒有體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)區(qū)各方向水平梁對(duì)其提高強(qiáng)度的影響，事實(shí)上該影響是存在且有效的，尤其中柱節(jié)點(diǎn)通常有兩向梁對(duì)其約束產(chǎn)生的效果較為顯著。正如抗剪驗(yàn)算中考慮“正交梁的約束影響系數(shù)”一樣，同等條件下中柱的抗剪承載力是邊、角柱的1.3倍左右。上述施工措施雖未將中柱、邊柱、角柱加以區(qū)分，但事實(shí)上應(yīng)有所不同。筆者認(rèn)為，上述施工措施可以針對(duì)邊柱和角柱節(jié)點(diǎn)區(qū)而言，如系中柱節(jié)點(diǎn)區(qū)，則可將各條措施中梁柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)的差異各提高5MPa。該結(jié)論的依據(jù)雖是定性而不是定量的，但從充分發(fā)掘中柱節(jié)點(diǎn)的抗壓潛力，并考慮現(xiàn)場施工方便性的角度而言，它是可行且科學(xué)的。

梁柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)相差級(jí)別 邊柱、角柱節(jié)點(diǎn) 中柱節(jié)點(diǎn)：5MPa（一級(jí)） 不需特殊處理 不需特殊處理；10MPa（二級(jí)） 加插短筋（柱主筋數(shù)的50%）；15MPa（三級(jí)） 加插短筋（柱主筋數(shù)的100%） 加插短筋（柱主筋數(shù)的50%）；20MPa（四級(jí)） 需用柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)澆注 加插短筋（柱主筋數(shù)的100%） ；25MPa（五級(jí)） 需用柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)澆注）①柱主筋采用Ⅱ、Ⅲ級(jí)鋼筋，配筋率ρ≥1%；②加插短筋采用Ⅲ級(jí)鋼筋（fy=360N/mm2）。

5 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的合理取值

梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的強(qiáng)度驗(yàn)算和施工處理同時(shí)也涉及到高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)中豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)的合理取值問題，其合理與否必須符合以下原則：

5.1 整個(gè)工程的豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)種類不宜太多，一般為8層左右變1個(gè)等級(jí)，且與豎向構(gòu)件截面的變化錯(cuò)層同步。

5.2 水平構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)取值要符合規(guī)范要求，同時(shí)要與豎向構(gòu)件相配搭，使施工處理簡單化，盡量避免或減少節(jié)點(diǎn)區(qū)單獨(dú)澆注混凝土。

根據(jù)上述原則，有關(guān)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的確定，對(duì)于諸如樓層數(shù)分別為30層（H<100m）、40層 （H≈140m）和55層（H≈190m）的高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)來說，其豎向構(gòu)件及水平構(gòu)件二者間混凝土強(qiáng)度等級(jí)的搭配，下面的取值可能是較合理和科學(xué)的（括號(hào)內(nèi)為樓層混凝土等級(jí)）：

①30層：C40(C30)→C35(C30)→C30(C25)→C25(C25)；②40層：C50(C35)→C45(C35)→C40(C30)→C35(C30)→C30(C25)；③55層：C60(C35)→C55(C35)→C50(C35)→C45(C35)→C40(C30)→C35(C30)→C30(C25)；或C60(C40)→C60(C40)→C50(C40)→C50(C40)→C40(C30)→C40(C30)→C30(C30) →C30(C30)。

分析以上高層建筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)的配搭，對(duì)于30層高層建筑，節(jié)點(diǎn)區(qū)需要加短筋的僅為1/4樓層；對(duì)于40層高層建筑，則為3/5樓層；對(duì)于55層高層建筑，第1方案節(jié)點(diǎn)區(qū)需單獨(dú)澆注混凝土的為2/7，節(jié)點(diǎn)加短筋的為3/7，第2方案節(jié)點(diǎn)區(qū)需單獨(dú)澆注混凝土的1/4，節(jié)點(diǎn)加短筋的為1/2（后一方案的優(yōu)點(diǎn)在于混凝土強(qiáng)度等級(jí)種類最少，僅有4種且為完整等級(jí)）。至于節(jié)點(diǎn)區(qū)加短筋的做法，在柱頂梁底標(biāo)高處預(yù)插短筋，其插入深度及突出梁面各300mm，位置首選復(fù)合箍筋的交叉點(diǎn)處，當(dāng)交叉點(diǎn)少于短筋根數(shù)時(shí)則另加選取靠近柱主筋的內(nèi)側(cè)位置，布筋原則是均勻?qū)ΨQ。

6 經(jīng)濟(jì)分析

在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，節(jié)點(diǎn)區(qū)加插短筋所增加的用鋼量對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)來說是微不足道的，如果攤銷到整個(gè)工程則更是微乎其微。以8×8m柱網(wǎng)、柱截面bh=800×800，主筋配筋率為ρ=1%為例，則中柱、邊柱、角柱單位面積所需的用鋼量以及攤銷到整個(gè)工程的用鋼量（攤銷用鋼量中，以中柱占2/6，邊柱占3/6，角柱占1/6計(jì)）。

節(jié)點(diǎn)區(qū)加插筋所增加的用鋼量占整個(gè)工程用鋼量的比例小至幾乎可忽略不計(jì)，因此以消耗工地上一些準(zhǔn)備棄用的邊材廢料而換取節(jié)點(diǎn)區(qū)澆注混凝土的方便，無論從哪個(gè)角度衡量都是值得的。當(dāng)然，節(jié)點(diǎn)區(qū)加插短筋所花費(fèi)的費(fèi)用要比節(jié)點(diǎn)區(qū)采用柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)單獨(dú)澆注高一些，但正如前面所述，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土單獨(dú)澆注既存在許多困難，掌握不好還會(huì)導(dǎo)致混凝土質(zhì)量事故，因此采取在節(jié)點(diǎn)區(qū)加插短筋的做法來保證節(jié)點(diǎn)區(qū)的承載力無疑是一種簡易且科學(xué)的方法，設(shè)計(jì)方和施工方肯定樂于采用，即使是投資方，如能從大處著眼也應(yīng)該是能夠接受的。