梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土強(qiáng)度不足的解決方案

李偉 儲(chǔ)山

(安徽藝維建筑科技研究院有限公司，安徽 合肥 230071)

對(duì)于高層框架結(jié)構(gòu)或框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，由于柱軸壓比及柱截面尺寸所限，框架柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般均高于梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)。對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工多采用局部做高強(qiáng)混凝土，即與豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)保持相同。這會(huì)給施工帶來(lái)困難，施工質(zhì)量不易保證。實(shí)際工程中也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的實(shí)際混凝土強(qiáng)度等級(jí)不滿設(shè)計(jì)要求的情況。本文結(jié)合一個(gè)實(shí)際工程案例，采用折算強(qiáng)度復(fù)核節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的承載力驗(yàn)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(jié)構(gòu)形式為框架-核心筒結(jié)構(gòu)。一層及二層層高4.5m，三層及以上層高3.9m?；A(chǔ)頂至三層樓面標(biāo)高墻柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30；三層樓面至六層樓面標(biāo)高墻柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)C55，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30；六層樓面標(biāo)高以上墻柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(shè)計(jì)使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)。工程所在地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)二級(jí)。

2 問題簡(jiǎn)述及原因分析

2.1 問題簡(jiǎn)述

該工程施工至九層時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分部驗(yàn)收，發(fā)現(xiàn)一～三層梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土存在色差現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 梁柱混凝土色差圖

原設(shè)計(jì)要求梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土強(qiáng)度等級(jí)與柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同，本工程根據(jù)色差現(xiàn)象初步判斷梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土強(qiáng)度存在差異，可能不滿足原設(shè)計(jì)要求。經(jīng)施工單位初步回彈檢測(cè)，梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)上部混凝土強(qiáng)度約為C30～C40，不滿足設(shè)計(jì)C60要求。

后經(jīng)第三方檢測(cè)公司采用回彈法及鉆芯法進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測(cè)，部分檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。從表中可以看出，柱身混凝土強(qiáng)度均大于C60，框架梁混凝土強(qiáng)度均大于C30，均滿足原設(shè)計(jì)要求；梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)柱頂部位混凝土強(qiáng)度小于C60，不滿足原設(shè)計(jì)要求。

表1 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 原因分析

梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同會(huì)增加施工難度，可采用相應(yīng)的處理方法解決該問題。但是實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，更多的是要求梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土強(qiáng)度等級(jí)與柱等同。在高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)而言，梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力復(fù)雜，鋼筋密集，根據(jù)規(guī)范強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的設(shè)計(jì)理念，梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的設(shè)計(jì)與施工均較為重要。根據(jù)前文所述，當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的混凝土強(qiáng)度等同于柱混凝土強(qiáng)度時(shí)，就要求實(shí)際工程施工中要分開澆筑柱(梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū))和梁板混凝土，一般先澆筑高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，采取有效措施進(jìn)行隔離，然后在混凝土未達(dá)初凝時(shí)間時(shí)再澆筑梁板的低強(qiáng)度等級(jí)混凝土。這里有兩個(gè)較為重要的問題需要解決，就是阻斷措施和澆筑時(shí)間，施工中應(yīng)采取有效措施防止高強(qiáng)度等級(jí)混凝土流掉而影響節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土強(qiáng)度，當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)較高的混凝土澆筑至一定范圍時(shí)開始澆筑低等級(jí)的混凝土，要避免出現(xiàn)低等級(jí)混凝土流入梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)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(jié)點(diǎn)處只澆筑高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土?xí)?dǎo)致支模困難，節(jié)點(diǎn)處先澆筑的高強(qiáng)混凝土可能會(huì)流淌較遠(yuǎn)，所以會(huì)導(dǎo)致施工質(zhì)量不易保證。本工程在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土澆筑時(shí)未采取有效的隔離措施，僅采用鋼絲網(wǎng)做簡(jiǎn)單隔離，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)核心區(qū)高強(qiáng)混凝土流掉，后澆筑的梁板部分的低標(biāo)號(hào)混凝土流入框架柱柱頭，造成梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)柱頂部位混凝土強(qiáng)度不足。

3 折算強(qiáng)度計(jì)算

3.1 折算強(qiáng)度計(jì)算理論

根據(jù)《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》(混凝土結(jié)構(gòu))附錄A.0.8，當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)周圍有梁板相連時(shí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土受到約束，混凝土的極限應(yīng)變和強(qiáng)度都得到提高。提高程度受到梁板約束程度、混凝土強(qiáng)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(jié)點(diǎn)區(qū)四周有梁約束，效果較好，極限應(yīng)變和強(qiáng)度提高最大，邊柱次之，角柱較差。

對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土強(qiáng)度與梁板混凝土強(qiáng)度相同的做法，國(guó)內(nèi)外做了很多試驗(yàn)研究，借以推導(dǎo)梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土折算強(qiáng)度。對(duì)于中柱，美國(guó)在其混凝土規(guī)范中提出下列計(jì)算公式：

fce=0.75fcc+0.35fcs≤ fcc

(A.0.8-1)

式中：fce—梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土折算強(qiáng)度；

fcs—梁板的混凝土強(qiáng)度；

fcc—柱的混凝土強(qiáng)度。

另外，加拿大規(guī)范CSAA23.3-94也有類似規(guī)定，對(duì)于中柱，提出梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土折算強(qiáng)度計(jì)算公式為：

fce=0.25fcc+1.05fcs≤ fcc

(A.0.8-2)

通過(guò)計(jì)算可見，根據(jù)加拿大規(guī)范的公式計(jì)算所得的梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土折算強(qiáng)度小于美國(guó)規(guī)范，相對(duì)較安全，建議采用。另外還有學(xué)者提出如下計(jì)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(zhǎng)。

綜上所述，當(dāng)柱混凝土強(qiáng)度與梁板混凝土強(qiáng)度不同，梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土強(qiáng)度等級(jí)與梁板混凝土一致時(shí)，可以采用上述方法計(jì)算梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土的折算強(qiáng)度，用折算強(qiáng)度來(lái)驗(yàn)算梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪承載力與抗壓承載力，如承載力滿足要求，則結(jié)構(gòu)承載力滿足要求。

3.2 折算強(qiáng)度計(jì)算

以本工程中柱(7/E、4/G)梁柱節(jié)點(diǎn)為例，原設(shè)計(jì)一～三層柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土強(qiáng)度與柱相同。根據(jù)本工程混凝土強(qiáng)度檢測(cè)報(bào)告，7/E軸處實(shí)測(cè)柱混凝土強(qiáng)度64.6MPa，梁混凝土強(qiáng)度34.3MPa；4/G軸處實(shí)測(cè)柱混凝土強(qiáng)度67.6MPa，梁混凝土強(qiáng)度33.9MPa。折算強(qiáng)度計(jì)算時(shí)柱混凝土強(qiáng)度取不超過(guò)C60。

根據(jù)《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》(混凝土結(jié)構(gòu))公式A.0.8-2，梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土折算強(qiáng)度計(jì)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(jù)《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》(混凝土結(jié)構(gòu))公式A.0.8-3，梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土折算強(qiáng)度計(jì)算如下：

根據(jù)公式A.0.8-3計(jì)算所得折算強(qiáng)度大于公式A.0.8-2，故取按公式A.0.8-2計(jì)算所得的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土折算強(qiáng)度。

4 復(fù)核驗(yàn)算

前文計(jì)算了典型中柱的梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土折算強(qiáng)度，然后即可根據(jù)此折算強(qiáng)度進(jìn)行節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的承載力驗(yàn)算。但是實(shí)際工程中，梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土折算強(qiáng)度還受邊柱角柱、梁柱截面、是否偏心等諸多因素的影響，現(xiàn)總結(jié)如下。

4.1 復(fù)核約束條件

1)對(duì)于中柱，可按《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》(混凝土結(jié)構(gòu))公式A.0.8-2、3計(jì)算梁柱節(jié)點(diǎn)混凝土折算強(qiáng)度，偏安全考慮，二者取小值。對(duì)于梁板結(jié)構(gòu)，如果梁寬小于柱寬的1/2，或者梁與柱形成較大偏心，則應(yīng)在梁端部位設(shè)置水平加腋以加強(qiáng)梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土的約束作用。

2)對(duì)于邊柱和角柱，需根據(jù)帶不帶懸挑樓板區(qū)別對(duì)待。若帶懸挑梁板，懸挑長(zhǎng)度不小于柱截面尺寸的2倍時(shí)，可按中柱對(duì)待；否則應(yīng)按《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》(混凝土結(jié)構(gòu))公式A.0.8-4～6進(jìn)行節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土折算強(qiáng)度的計(jì)算。

4.2 梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)承載力驗(yàn)算

以節(jié)點(diǎn)區(qū)折算強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的承載力驗(yàn)算。梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力應(yīng)滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》11.6.2～11.6.4條要求；抗壓承載力應(yīng)滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》6.2.15～6.2.17條要求。

4.2.1 梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力驗(yàn)算

以4/G軸處框架柱節(jié)點(diǎn)為例，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》11.6.4條，梁柱節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力應(yīng)滿足如下要求。

式中：Vj—梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力設(shè)計(jì)值，本工程Vj為983.23kN；

γ—抗震調(diào)整系數(shù)，本工程取0.85；

η—正交梁對(duì)節(jié)點(diǎn)的約束影響系數(shù)，本工程取1.5；

f—混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，本工程按折算強(qiáng)度取1.89N/mm；

b—梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)截面有效驗(yàn)算寬度，本工程取900mm；

h—梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)截面高度，本工程取900mm；

N—柱底部軸力設(shè)計(jì)值，本工程N(yùn)為10727.20kN；

bc—節(jié)點(diǎn)核心區(qū)柱截面寬度，取900mm；

f—節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，本工程取360 N/mm；

A—節(jié)點(diǎn)核心區(qū)驗(yàn)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(diǎn)至截面近邊距離，本工程取60mm；

s—節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋間距，本工程取100mm。

根據(jù)上述公式及參數(shù)取值，本工程梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗震受剪承載力計(jì)算結(jié)果為：983.230kN≤6161.36kN，滿足要求?？梢娏褐?jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力富余量較大。

4.2.2 梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗壓承載力驗(yàn)算

以4/G軸處框架柱節(jié)點(diǎn)為例，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》6.2.15條，梁柱節(jié)點(diǎn)的正截面受壓承載力應(yīng)滿足如下要求：

N≤0.9Φ(fcA+fyAs)

式中：N—軸向壓力設(shè)計(jì)值，本工程取值10727.20kN；

Φ—鋼筋混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，本工程取1.0；

fc—混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，本工程取23.1N/mm；

A—構(gòu)件的截面面積，本工程為810000mm；

fy—受壓鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jù)上述公式及參數(shù)取值，本工程梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受壓承載力計(jì)算結(jié)果為：10727.20kN≤21066.48kN，滿足要求?？梢娏褐?jié)點(diǎn)核心區(qū)受壓承載力也有較大富余量。

根據(jù)國(guó)內(nèi)諸多工程案例，按前文方法計(jì)算的折算強(qiáng)度，都能滿足工程承載力要求。這是因?yàn)樵诳拐鸾Y(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)核心區(qū)承載力驗(yàn)算不滿足規(guī)范要求，則需對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固處理。

4.3 柱軸壓比

若以節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土折算強(qiáng)度復(fù)核柱的軸壓比，很可能會(huì)存在軸壓比不滿足規(guī)范要求的情況，因?yàn)檎鬯銖?qiáng)度一般小于柱混凝土強(qiáng)度。對(duì)于這種情況，《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》(混凝土結(jié)構(gòu))中并沒有明確的規(guī)定。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》6.3.6條文說(shuō)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(duì)混凝土進(jìn)行約束，可以提高混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度和混凝土的受壓極限變形能力，但在計(jì)算柱的軸壓比時(shí)仍取無(wú)箍筋約束的混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，未考慮箍筋約束對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的提高作用。據(jù)此，作者認(rèn)為不應(yīng)以節(jié)點(diǎn)核心區(qū)折算強(qiáng)度來(lái)驗(yàn)算柱軸壓比，只要柱混凝土強(qiáng)度滿足軸壓比要求即可。

4.4 本工程復(fù)核計(jì)算結(jié)果

本工程一～三層所有梁柱節(jié)點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)核心區(qū)在柱頂范圍實(shí)測(cè)混凝土強(qiáng)度均小于原設(shè)計(jì)要求的C60，故對(duì)所有梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。依據(jù)各部位不同情況分別計(jì)算各梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土折算強(qiáng)度，按折算強(qiáng)度復(fù)核節(jié)點(diǎn)核心區(qū)承載力驗(yàn)算，并按折算強(qiáng)度代入整體計(jì)算模型復(fù)核計(jì)算。

整體模型計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)樓層抗剪承載力、周期、位移角及位移比等整體指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；柱計(jì)算配筋與原設(shè)計(jì)相比沒有變化；按折算強(qiáng)度計(jì)算局部框架柱軸壓比不滿足規(guī)范要求，但按柱混凝土強(qiáng)度計(jì)算均滿足。所有梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)按折算強(qiáng)度進(jìn)行承載力驗(yàn)算，均滿足規(guī)范要求。因此，梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)折算強(qiáng)度可以滿足本工程對(duì)于柱的承載力要求，現(xiàn)有梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)承載要求。

5 結(jié)語(yǔ)

梁柱節(jié)點(diǎn)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土施工作為工程施工的重難點(diǎn)，關(guān)系到建筑工程的整體施工質(zhì)量。梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)采用高強(qiáng)混凝土?xí)黾邮┕さ睦щy，導(dǎo)致施工質(zhì)量不易保證。設(shè)計(jì)中可提前考慮該因素，采用梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土與梁板混凝土等強(qiáng)一起澆筑，此時(shí)應(yīng)滿足前文所述的相關(guān)要求。若實(shí)際工程中出現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求的情況，可采用折算強(qiáng)度復(fù)核驗(yàn)算梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的承載力。本文提供的計(jì)算方法和解決該問題的思路可供建筑工程設(shè)計(jì)人員和施工人員參考。