淺析鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑梁柱節(jié)點的抗震性能

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)因其成熟的建造流程、較低的投資需求和穩(wěn)定的使用性能成為現(xiàn)代校園建筑中最常見的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)?shù)卣饋砼R時，屹立不倒的建筑物將是降低人員傷亡及財產(chǎn)損失的關(guān)鍵，梁柱節(jié)點在建筑物抗震中起到了十分關(guān)鍵的作用，專家學(xué)者正在緊鑼密鼓地設(shè)計更可靠的連接方式。分析了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點存在的問題，并對梁柱節(jié)點未來的發(fā)展方向給出了建議。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)； 框架結(jié)構(gòu)； 梁柱節(jié)點

G712A

工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)

［定稿日期］2024-03-29

［基金項目］2023年天水市秦州區(qū)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(shè)工程管理。

0" 引言

隨著我國教育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)高校招生規(guī)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(chǔ)設(shè)施的擴建。新建項目在規(guī)劃時需要考慮結(jié)構(gòu)選型，多數(shù)高校會選用多層框架結(jié)構(gòu)或高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，其原因在于框架結(jié)構(gòu)具有較大的內(nèi)部使用空間，可以根據(jù)房間功能要求靈活布置使用方案，更方便作為教學(xué)活動場所，無論是教室、部分專業(yè)的實訓(xùn)室、教師休息室或是學(xué)生活動中心，都可以安排在框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓內(nèi)。校園建筑物抗震設(shè)防不低于重點設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，地震期間校園安全的最根本目標(biāo)是要確保建筑物不倒塌，并將師生傷亡的風(fēng)險降至最低，其中最令人擔(dān)憂的就是節(jié)點強度不足，地震時節(jié)點發(fā)生脆性剪切破壞并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌，因此，需要控制結(jié)構(gòu)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(yīng)做好加固措施，削弱鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)受地震的影響［1］。因此，需要對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑梁柱節(jié)點的抗震性能進行分析。

1" 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點抗震性能概述

1.1" 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概述

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是建筑工程領(lǐng)域內(nèi)最常見的一種建筑結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)置是否合理，對于整個建筑工程的質(zhì)量都有著十分重要的影響［2］。如果按照抗震能力對結(jié)構(gòu)類型進行排序，鋼結(jié)構(gòu)首屈一指，以其輕質(zhì)高強、造型靈活、建造周期短等優(yōu)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(nèi)建筑的使用群體相對固定，教師和學(xué)生對結(jié)構(gòu)的影響雖然不會很嚴(yán)重，但高額的維護費用無法支持鋼結(jié)構(gòu)成為廣泛的校園建筑結(jié)構(gòu)類型［3］?，F(xiàn)代化的校園建筑物已經(jīng)很難出現(xiàn)磚砌體結(jié)構(gòu)，更多的依舊是采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，據(jù)統(tǒng)計，全國高校建筑中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑占比均達到85%以上，顯然我國多年的建設(shè)發(fā)展也為校園建筑施工積累了寶貴的經(jīng)驗。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本可以滿足校內(nèi)建筑所需的各項條件，其外觀上多以標(biāo)準(zhǔn)圖形為主，很難出現(xiàn)薄弱處，雖然沒有鋼結(jié)構(gòu)建筑的大跨度和現(xiàn)代化的造型，但也避免了鋼結(jié)構(gòu)在焊接或加工過程中產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷。校園建筑對抗震性能要求較高，地震反應(yīng)又是動態(tài)的，不是靜態(tài)的，隨著地面震動，地面以上的結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力后張法張拉后，進行孔道灌漿就可以有效減輕結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的主要承重結(jié)構(gòu)為框架柱和框架梁，允許作為非承重結(jié)構(gòu)的墻體對教室進行獨特的設(shè)計和分隔，尤其是框架結(jié)構(gòu)外墻可以采用玻璃幕墻作為圍護構(gòu)件，造型美觀、簡約大方，既滿足了教學(xué)樓室內(nèi)日照條件要求，還能滿足教學(xué)活動需要。為了保證鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)有著足夠的抗震性能，在設(shè)計過程中，設(shè)計人員需要以建筑抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度為基礎(chǔ)，選擇合適的抗震措施，提升框架結(jié)構(gòu)的抗震等級，確?？蚣芙Y(jié)構(gòu)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(wěn)定性的目的［4］。但是，框架結(jié)構(gòu)的劣勢也是顯而易見的，即便框架結(jié)構(gòu)的整體性比砌體結(jié)構(gòu)強很多，但是僅僅通過框架柱與框架梁來承擔(dān)荷載，側(cè)向剛度相對較低，能夠滿足一定閾值內(nèi)的抗震要求，當(dāng)遇到超過限值的地震時，往往無法承擔(dān)荷載導(dǎo)致整棟樓倒塌，而剪力墻結(jié)構(gòu)又因其內(nèi)部空間所限，很難容納大容量的教學(xué)活動。這也成為了校園建筑結(jié)構(gòu)選型的矛盾之一。

1.3" 梁柱節(jié)點的抗震作用

地震災(zāi)害一直是對建筑物結(jié)構(gòu)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(diào)查表明，框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計關(guān)鍵就在于梁柱節(jié)點，這始終是建筑領(lǐng)域?qū)＜覀冄芯康臒衢T關(guān)鍵詞。大多數(shù)地震是通過斷層帶地殼的突然運動而發(fā)生的，這種突然的運動釋放了應(yīng)變能，導(dǎo)致地震波穿過斷層周圍的地殼，這些地震波會導(dǎo)致地表震動，而這種地表震動是結(jié)構(gòu)工程抗震的主要問題之一。此次地震也波及到了許多地區(qū)的高校，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)作為我國高校建筑中最常見的結(jié)構(gòu)形式，就很容易在地震中受到損傷。

我國處于環(huán)太平洋地震帶中，有近20個小地震帶，部分地區(qū)地震頻發(fā)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，框架結(jié)構(gòu)多數(shù)都是在節(jié)點處發(fā)生破壞，這說明框架時結(jié)構(gòu)建筑物的安全性、耐久性與節(jié)點強度息息相關(guān)，梁柱節(jié)點在結(jié)構(gòu)中主要起到了連接構(gòu)件、荷載傳遞和內(nèi)力分配的作用，在發(fā)生地震時，節(jié)點受到地震的強度不同，出現(xiàn)的破壞形式也不同，但無論是哪一種地震強度，梁柱節(jié)點都是最不容易修復(fù)的部位［5］。因此，框架柱與框架梁的連接方式始終是框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的核心環(huán)節(jié)。在強震作用下，強柱弱梁的設(shè)計仍會導(dǎo)致柱端出現(xiàn)塑性鉸，我國抗震規(guī)范對柱軸壓比及箍筋體積配箍率的要求使得即便出現(xiàn)了塑性鉸，仍能保證建筑物屹立不倒，但在全球范圍內(nèi)出現(xiàn)節(jié)點剪切破壞的情況比比皆是?？蚣芰旱淖冃文芰χ饕Q于梁端塑性轉(zhuǎn)動量，與混凝土相對受壓區(qū)高度相關(guān)，箍筋會對構(gòu)件起到約束作用。在多數(shù)發(fā)展中國家的老舊建筑中，梁柱節(jié)點的強度和剛度逐漸退化也會對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的完整性產(chǎn)生不利影響，因此，需要研究出更有效的結(jié)構(gòu)布置，準(zhǔn)確計算現(xiàn)有建筑的強度和抵抗變形的能力，促進開發(fā)更安全、更簡單、成本更低的節(jié)點設(shè)計方案，緩解現(xiàn)階段梁柱節(jié)點在地震后出現(xiàn)的壓力。

2" 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點現(xiàn)存問題

2.1" 結(jié)構(gòu)設(shè)計過于單調(diào)

校園建筑結(jié)構(gòu)布置逐漸朝著科技化、創(chuàng)新化發(fā)展，但傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的平面布置在強度、剛度和穩(wěn)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(yīng)該具有大致相同的剛度、強度和延性，保證下部結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度不能小于上部抗側(cè)剛度的一定比例，避免出現(xiàn)薄弱層，當(dāng)建筑的類型、體系、體型較復(fù)雜時，宜設(shè)置防震縫。較為成熟的建設(shè)流程同樣也制約著框架結(jié)構(gòu)的發(fā)展，梁柱節(jié)點作為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配關(guān)鍵的一環(huán)，在結(jié)構(gòu)布置上無法調(diào)整的過于復(fù)雜，這也使得工程師們看見梁柱節(jié)點千篇一律的設(shè)計只能望洋興嘆。通過合理的節(jié)點連接構(gòu)造設(shè)計，可以實現(xiàn)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(gòu)造措施，可以實現(xiàn)等同現(xiàn)澆的設(shè)計原則［6］。

2.2" 材料強度提升困難

由于梁柱節(jié)點在框架結(jié)構(gòu)中屬于剛節(jié)點，個別情況下會做成半鉸接節(jié)點，框架結(jié)構(gòu)的垂直荷載通過梁板體系來承擔(dān)，再傳給柱，由柱傳給基礎(chǔ)。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(yōu)點。在建筑領(lǐng)域發(fā)展歷程中，具備這種特性的材料包括混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、磚等，已經(jīng)十分成熟，很難通過更改材質(zhì)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(shè)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(wěn)定。

工程結(jié)構(gòu)張小濤，曲家忻，李晨波： 淺析鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑梁柱節(jié)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(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，究其原因是施工過程中的質(zhì)量控制沒能得到保證，施工精度不高導(dǎo)致梁柱節(jié)點出現(xiàn)破壞。從現(xiàn)場安裝的角度來看，梁柱節(jié)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(xiàn)象，在檢查模板的標(biāo)高與垂直度時需要不斷調(diào)整模板的位置，螺栓初步固定后還需要復(fù)查表面平整度，最后再擰緊螺栓。梁柱節(jié)點內(nèi)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(jié)點核心區(qū)柱箍筋數(shù)量不足，在驗收時也會導(dǎo)致成本增加，構(gòu)件受力后節(jié)點位置發(fā)生破壞將嚴(yán)重影響使用安全。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑成本相對較低，在招投標(biāo)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(zhì)量等多種因素的綜合考慮下，容易降低工程質(zhì)量，這就需要建設(shè)單位和監(jiān)理單位對工程質(zhì)量進行嚴(yán)格把關(guān)，不僅要嚴(yán)格控制驗收，還要重視過程標(biāo)準(zhǔn)，防患于未然。

3" 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點發(fā)展方向

3.1" 裝配式建筑梁柱節(jié)點

裝配式建筑在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后得到了長足的發(fā)展，戰(zhàn)后重建要求開發(fā)商提高成本競爭力且具備快速組裝基礎(chǔ)設(shè)施的能力，在此期間工業(yè)和民用建筑的數(shù)目都有所增加。鋼結(jié)構(gòu)的高成本反向促進了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，其在地震中的表現(xiàn)是也世界各地研究人員、從業(yè)者和制造商廣泛而深入關(guān)注的一個話題，在其他國家，特別是自20世紀(jì)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(jié)點不僅適用于低層工業(yè)/商業(yè)結(jié)構(gòu)，還適用于學(xué)校、醫(yī)院等公共和戰(zhàn)略建筑的多層框架，和在中高地震烈度地區(qū)建造的高層住宅。自進入21世紀(jì)以來，裝配式建筑在我國得到了飛速的發(fā)展，相關(guān)政策的鼓勵和先進技術(shù)的引進都為裝配式建筑增光添彩。裝配式建筑的一大優(yōu)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(huán)境條件限制，只要按照圖紙生產(chǎn)構(gòu)件，現(xiàn)場嚴(yán)格組裝，就基本上可以保證“批量復(fù)制”。裝配式建筑安全牢固的關(guān)鍵在于可靠的連接方式，垂直構(gòu)件與水平構(gòu)件連接最多的就是梁柱節(jié)點，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點中如果可以多采用裝配式構(gòu)造，提升整體裝配化，比如在預(yù)制節(jié)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(jié)點不低于現(xiàn)澆節(jié)點的工程力學(xué)性能。

3.2" 新材料融合現(xiàn)澆混凝土梁柱節(jié)點

在科技迅猛發(fā)展的21世紀(jì)，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(yōu)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(yōu)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(lǐng)域下足了功夫，他們在東京都市圈進行了大范圍的結(jié)構(gòu)加固改造活動，木結(jié)構(gòu)占比較大的日式古建筑在新型復(fù)合材料的精妙點綴下完成了結(jié)構(gòu)性能的提升。常規(guī)設(shè)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(zhì)量輕、抗拉強度高、產(chǎn)量穩(wěn)定等優(yōu)點使它被廣泛應(yīng)用在風(fēng)電、新能源汽車、人工智能等前沿領(lǐng)域。因此，日本的設(shè)計事務(wù)所創(chuàng)新地考慮對重要的梁柱節(jié)點部分進行碳纖維加固，多股碳纖維繩呈拉結(jié)狀布置在梁柱節(jié)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(jié)點。

3.3" 新型構(gòu)造梁柱節(jié)點

眾多國內(nèi)外學(xué)者都在嘗試在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)計新型構(gòu)造梁柱節(jié)點來連接不同的結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件，以確保在施工過程簡便的同時減少安裝階段產(chǎn)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(xiàn)商業(yè)或市場銷售的最大化。如圖3所示的榫卯結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)代建筑可以通過設(shè)計成其他形式的節(jié)點來避免倒塌，一個有效的地震工程設(shè)計要求設(shè)計者去控制建筑物在地震周期內(nèi)的全部反應(yīng)。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(jié)點設(shè)計時，考慮使用榫卯結(jié)構(gòu)增加節(jié)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(jié)點還具有安全可靠、抗震、易建造、易拆卸及可回收利用的優(yōu)點［7］。

4" 結(jié)束語

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

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