框架節(jié)點核心區(qū)剪壓比超限影響因素及對策

王 佐，楊海龍，陳 杰，張運良

（1、重慶新和建筑工程有限公司 重慶 401120；2、中國電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司 重慶 400050；3、中國建筑第二工程局有限公司西南分公司 重慶 401120；4、重慶大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司 重慶 400045）

1 節(jié)點核心區(qū)受力機(jī)制

框架節(jié)點是框架結(jié)構(gòu)中的重要結(jié)構(gòu)部件，它將框架梁和柱連接為一個整體，在框架梁和框架柱之間進(jìn)行著力的傳遞和分配。框架節(jié)點由梁端、柱端和節(jié)點核心區(qū)3個部分組成，其中節(jié)點核心區(qū)是關(guān)鍵部件，節(jié)點核心區(qū)一旦破壞，框架將失效，造成結(jié)構(gòu)的倒塌。在梁端、柱端的彎、剪、壓作用下，節(jié)點核心區(qū)受力復(fù)雜，主要破壞形式表現(xiàn)為受剪破壞。其受力模型比較有共識的是斜壓桿模型和桁架模型，如圖1 所示。在節(jié)點受力的早期，傳入節(jié)點核心區(qū)的力合成沿節(jié)點對角線方向的壓力，并由混凝土的斜向壓桿承擔(dān)。隨著作用力的增大，在受力的后期，與斜向壓桿垂直方向的主拉應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度，形成一些與斜向壓桿平行的裂縫。開裂后的節(jié)點核心區(qū)主壓應(yīng)力仍然由混凝土斜壓桿承擔(dān)，主拉應(yīng)力將由節(jié)點核心區(qū)的水平箍筋承擔(dān)。節(jié)點水平箍筋還為斜壓桿提供了側(cè)向約束。在往復(fù)荷載的作用下，節(jié)點核心區(qū)混凝土被雙向斜裂縫分割成菱形塊體。得益于箍筋的約束作用，核心區(qū)斜裂縫開展有限，菱形混凝土塊體之間仍然保持斜壓桿的傳力功能。在更大的往復(fù)荷載作用下，核心區(qū)混凝土斜壓桿發(fā)生失穩(wěn)壓潰，節(jié)點達(dá)到完全破壞?？蚣茉陔p向地震作用下，框架節(jié)點在兩個方向同時受力，節(jié)點內(nèi)作用合成剪力，節(jié)點端部形成空間斜向受壓區(qū)，節(jié)點內(nèi)形成不同于單向受力的空間斜向斜壓桿［1］。大量模型化研究和試驗研究［2-3］表明，節(jié)點核心區(qū)的抗剪承載力主要由混凝土斜壓桿和水平箍筋這兩部分共同組成。當(dāng)剪力大到一定程度，靠增大節(jié)點箍筋已經(jīng)無法進(jìn)一步提高節(jié)點核心區(qū)的抗剪承載力了，剪力超過了節(jié)點核心區(qū)抗剪能力的上限，這就是節(jié)點核心區(qū)剪壓比超限。

圖1 受力模型Fig.1 Stress Model

2 節(jié)點核心區(qū)剪壓比超限的規(guī)范規(guī)定

為防止節(jié)點核心區(qū)剪壓比超限，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2015年版）：GB 50010—2010》［4］第11.6.3條規(guī)定，框架梁柱節(jié)點核心區(qū)的受剪水平截面應(yīng)符合下列條件：

式中：βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級不超過C50時取1.0，C80時取0.8，其間按線性內(nèi)插法取值；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；bj為框架節(jié)點核心區(qū)的截面有效驗算寬度：當(dāng)bb≮bc∕2 時，可取bc；當(dāng)bb＜bc∕2 時，可取bb+0.5hc和bc中的較小者。當(dāng)梁與柱的中線不重合且偏心距e0≯bc∕4 時，可?。╞b+0.5hc）、（0.5bb+0.5bc+0.25hc-e0）和bc三者中的最小值。此處，bb為驗算方向梁截面寬度，bc為該側(cè)柱截面寬度，hc為驗算方向的柱截面高度；hj為框架節(jié)點核心區(qū)的截面高度；ηj為正交梁對節(jié)點的約束影響系數(shù)：當(dāng)梁板為現(xiàn)澆、梁柱中心線重合、四側(cè)各梁截面不小于該側(cè)柱截面寬1∕2，且正交方向梁高高不小于較高框架梁高度的3∕4 時，ηj可取1.5，但對9度設(shè)防烈度，ηj宜取1.25；當(dāng)不滿足上述條件時，ηj應(yīng)取1.0。

3 節(jié)點核心區(qū)剪壓比超限影響因素分析

3.1 節(jié)點混凝土強(qiáng)度

節(jié)點核心區(qū)的最終破壞，是由節(jié)點核心區(qū)混凝土斜壓桿的壓潰導(dǎo)致的。提高節(jié)點混凝土的抗壓強(qiáng)度fc可以提高節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力上限，眾多的試驗驗證了這一點［5］。混凝土強(qiáng)度越高脆性越大，混凝土強(qiáng)度有效系數(shù)越低［6］，文獻(xiàn)［4］通過引入混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)βc來反映這種影響。

實際工程中框架節(jié)點核心區(qū)的混凝土強(qiáng)度要么同框架梁，要么同框架柱。閆維明等人［7］的研究表明，中高剪壓比試件核心區(qū)不宜直接采用與樓蓋梁等強(qiáng)度的混凝土澆筑。單獨提高節(jié)點混凝土強(qiáng)度實施起來不太方便?；炷翉?qiáng)度不宜提高過多，不宜與同層其它柱的混凝土強(qiáng)度相差太大。蘇駿等人［8］對一種新型超高韌性水泥基材料取代框架梁柱節(jié)點核心區(qū)普通混凝土進(jìn)行了試驗研究，證明其具有更高的抗震延性和耗能性能。

3.2 節(jié)點核心區(qū)抗剪驗算有效截面

影響節(jié)點核心區(qū)剪壓比的另一重要因素是節(jié)點核心區(qū)抗剪驗算有效截面，即bjhj。增大驗算方向的柱截面高度hj，可以成比例地直接提高節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力上限。而節(jié)點核心區(qū)截面有效驗算寬度bj則跟柱截面寬度、梁寬度、梁偏心距等均有關(guān)。當(dāng)驗算方向梁寬較小或偏心較大時，增大梁寬或減小偏心距，也能增大抗剪驗算有效截面，提高核心區(qū)抗剪承載力上限。

梁柱截面增大，其線剛度增大，該梁柱在結(jié)構(gòu)中分配到的內(nèi)力也增大，進(jìn)而會增大節(jié)點剪力。加高梁截面可改善節(jié)點核心區(qū)剪壓比超限問題。在低烈度改善效果很明顯，這是因為由梁截面加大而引起的梁端彎矩增長幅度小于節(jié)點截面增加幅度。但高烈度改善效果不明顯，這是因為梁剛度變大引起的梁端彎矩增大較多［9］。如果節(jié)點核心區(qū)剪壓比超限不多，可適當(dāng)增大節(jié)點有關(guān)梁柱的截面。如果節(jié)點核心區(qū)剪壓比超限較多，僅調(diào)整框架梁柱截面，會導(dǎo)致該梁柱截面遠(yuǎn)大于相鄰其它梁柱，甚至形成短柱，對結(jié)構(gòu)抗震不利。另外，梁柱截面增大較多也可能對建筑功能和空間效果帶來影響，也不是特別經(jīng)濟(jì)。因此，在高烈度區(qū)節(jié)點核心區(qū)剪壓比超限較多時，不宜僅增大梁柱截面，可綜合采取其它措施來解決。

3.3 正交梁的約束

當(dāng)節(jié)點有符合要求的正交梁和周邊現(xiàn)澆板的約束時，正交梁對節(jié)點的約束影響系數(shù)ηj取1.5 或1.25（9度設(shè)防），可以提高節(jié)點核心區(qū)剪壓比上限。

框架結(jié)構(gòu)理想的抗震機(jī)制，是在地震作用下梁端首先出現(xiàn)塑性鉸，消耗地震能量。理想狀況下，大震時框架梁的梁端出現(xiàn)塑性鉸。當(dāng)正交方向梁端出現(xiàn)塑性鉸后，正交梁對節(jié)點的約束就會減弱。在計算罕遇地震作用時的節(jié)點抗剪承載力時，ηj不宜取得太大，參考文獻(xiàn)［4］對9度設(shè)防時的取值，建議ηj可取1.25。

3.4 梁端加腋

若正交方向的梁截面較小，或梁偏心，則其約束作用就不明顯，ηj只能取1.0。在框架梁端部設(shè)置水平加腋（見圖2），可以提高節(jié)點核心區(qū)剪壓比上限。沿驗算方向的梁端水平加腋，相當(dāng)于增大了驗算截面的有效寬度bj。正交梁梁端水平加腋相當(dāng)于增加了對節(jié)點核心區(qū)的側(cè)向約束。孫捷等人［10］的研究表明，梁端水平加腋并保證一定的加腋寬度，可以顯著提高偏心節(jié)點的抗剪承載力。

圖2 梁端水平加腋Fig.2 Horizontal Haunching at Beam End

“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”是框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要原則。梁端加腋在增加對節(jié)點核心區(qū)的約束的同時也增加了梁端的抗彎強(qiáng)度，推遲了梁端出現(xiàn)塑性鉸的時間，梁端屈服時柱端和節(jié)點受力會增大，不利于“強(qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的實現(xiàn)。如果梁端加腋比較大，柱鉸可能先于梁鉸出現(xiàn)，甚至出現(xiàn)節(jié)點核心區(qū)的抗剪破壞，不能充分發(fā)揮先出梁端塑性鉸的耗能作用，影響結(jié)構(gòu)的抗震性能。劉艷等人的試驗研究［11］證實，梁端水平加腋會干擾塑性鉸的出現(xiàn)，由于加腋的寬度、長度的不同，梁端塑性鉸出現(xiàn)的時間和位置不同?；谝陨显?，不宜盲目采取對梁端加腋來提高節(jié)點核心區(qū)抗剪能力。

4 節(jié)點核心區(qū)外設(shè)置柱帽

在一定的條件下，不管是節(jié)點水平箍筋對節(jié)點核心區(qū)混凝土斜壓桿的約束，還是節(jié)點外正交梁和水平加腋對節(jié)點的約束，都可以提高節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力。按照這一思路，可以通過設(shè)置柱帽來提高節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力。即在框架節(jié)點區(qū)設(shè)置一個擴(kuò)大的圓柱形柱頭來包裹住節(jié)點，如圖3?所示，柱帽上部平梁頂面，下部比梁底稍低。柱帽設(shè)置水平和豎向的封閉鋼筋，形成一個空間的鋼筋籠，頂面和底面鋼筋之間設(shè)置拉筋，如圖3?所示，以形成對柱帽混凝土的良好約束。柱帽相當(dāng)于一個擴(kuò)大了的節(jié)點域，對框架節(jié)點進(jìn)行了三維的約束。為了讓這種約束效果更好，柱帽采用圓柱形而不是矩形。框架梁按原設(shè)計貫穿柱帽進(jìn)入框架節(jié)點。由于柱帽很強(qiáng)，梁端塑性鉸將出現(xiàn)在柱帽邊界外的梁端。即使梁端出現(xiàn)了塑性鉸，柱帽也能很好地約束住節(jié)點核心區(qū)，實現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”。

圖3 柱帽及其剖面Fig.3 Column Cap and Its Section （mm）

設(shè)置柱帽后，如何計算節(jié)點核心區(qū)的抗剪承載力，目前還缺乏相關(guān)試驗研究。某種程度上，柱帽相當(dāng)于一個擴(kuò)大了的節(jié)點。保守地，可以將柱帽僅作為對節(jié)點核心區(qū)的約束部件。從工程實用出發(fā)，如圖3?中的柱帽范圍內(nèi)可將梁看作是有水平加腋的，加腋寬度不超過加腋長度的1∕2，按加腋后的梁寬確定抗剪截面驗算有效寬度bj。由于柱帽對節(jié)點的良好約束效果，約束影響系數(shù)ηj也可以從1.0 提高到1.5，從而大幅提高節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力上限，避免剪壓比超限。

5 實際工程案例

某高烈度區(qū)大型多層商業(yè)建筑為RC 框架結(jié)構(gòu)。典型柱距8.4 m，最大框架梁跨度26 m。典型柱截面1 000 mm×1 000 mm，典型框架梁截面400 mm×800 mm?？蚣苤炷翉?qiáng)度等級C45，梁板C30?？拐鹪O(shè)防烈度為8 度（0.3g），設(shè)防類別為乙類。其中有一些復(fù)雜框架節(jié)點的核心區(qū)剪壓比超限，其原因除了項目位于高烈度區(qū)本身地震作用大外，還因為建筑功能的需要，存在著梁跨度大、梁截面寬度小于柱寬1∕2、梁與柱斜交、多向多根梁交匯于同一個框架節(jié)點等不利情況。例如其中某柱節(jié)點（見圖4）連接了6 根框架梁，斜向框架梁最大跨度24 m。計算配筋結(jié)果提示節(jié)點域抗剪箍筋面積超限，查超限信息文件顯示，Vjy=7 638.7 kN＞1∕γre·0.30·1.0·βc·fc·bj·hj=6 702.4 kN，節(jié)點核心區(qū)剪壓比不滿足文獻(xiàn)［4］要求。由于正交梁寬小于柱截面寬的1∕2，軟件計算中參數(shù)ηj取1.0，bj取bb+0.5hc=900 mm。雖然剪壓比超限不多，但是作為高烈度區(qū)的乙類設(shè)防建筑，多根多向大跨度梁交匯于一點，該節(jié)點作用極為關(guān)鍵，不但要確保多遇地震時的承載力，還應(yīng)確保在罕遇地震作用下不能破壞。綜合考慮，在該節(jié)點設(shè)置圓柱形柱帽。柱帽直徑2 014 mm，高1 300 mm，混凝土強(qiáng)度等級同柱。按圖3?對柱帽進(jìn)行鋼筋配置，其中豎向環(huán)筋為?25@150，水平環(huán)筋為?20@200，拉筋為?16@300，隔一拉一。計算節(jié)點核心區(qū)受剪承載力時僅將柱帽當(dāng)作梁端水平加腋，bj取bb=1 000 mm，ηj取1.5，節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力上限提高到了11 170 kN，大于節(jié)點剪力Vj，剪壓比滿足文獻(xiàn)［4］要求。由于柱帽的良好約束和加強(qiáng)作用，該復(fù)雜框架節(jié)點抗剪承載力得到大幅提高，實現(xiàn)了在罕遇地震作用下節(jié)點核心區(qū)受剪不屈服的性能目標(biāo)。

圖4 實例節(jié)點Fig.4 Instance Node （mm）

6 結(jié)論

通過對框架節(jié)點核心區(qū)剪壓比超限影響因素的分析，得出以下結(jié)論和設(shè)計建議：

⑴提高節(jié)點混凝土強(qiáng)度可以改善節(jié)點核心區(qū)剪壓比超限，但施工不便，且不宜提高過多，超限不多時可適當(dāng)提高該節(jié)點所在柱的混凝土強(qiáng)度。

⑵增大梁柱的截面可以提高節(jié)點核心區(qū)剪壓比上限，但應(yīng)注意構(gòu)件剛度增大造成分擔(dān)內(nèi)力增加帶來的不利影響。

⑶正交梁梁端出鉸后對節(jié)點的側(cè)向約束會減弱，建議復(fù)核罕遇地震節(jié)點受剪承載力時，ηj不宜取得太大。

⑷梁端加腋會干擾塑性鉸的出現(xiàn)時間和位置，不宜盲目采用梁端加腋來提高節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力。

⑸設(shè)置柱帽能大幅度提高節(jié)點抗剪能力，有利于“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的實現(xiàn)，是一種解決復(fù)雜框架節(jié)點核心區(qū)剪壓比超限的有效措施。