高層建筑框架梁柱節(jié)點的強度驗算和施工處理

　　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)點區(qū)混凝土的設(shè)計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)計強度高于梁、樓板的設(shè)計強度時，應(yīng)對梁柱節(jié)點混凝土施工采取有效措施（第13.5.7條）；

　　——高層建筑不同強度的梁、柱節(jié)點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)計時，一、二級框架的節(jié)點核心區(qū)應(yīng)按本規(guī)程附錄C進(jìn)行抗震驗算；三、四級框架節(jié)點以及各抗震等級的頂層端節(jié)點核心區(qū)，可不進(jìn)行抗震驗算（第6.2.7條）。

　　——凡是梁柱節(jié)點之混凝土強度低于柱混凝土強度較多者，皆必須仔細(xì)驗算節(jié)點區(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)程對梁柱節(jié)點區(qū)混凝土的設(shè)計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)點區(qū)混凝土合理設(shè)計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)計和施工中的現(xiàn)實問題

　　2.1為了滿足柱軸壓比的要求，同時又要控制柱截面不過大，柱子采用較高強度等級的混凝土是一種必然。而對于以受彎為主的樓層梁板，過高的混凝土強度等級卻是不需要且不適宜的，前者指對其抗彎承載力的貢獻(xiàn)不明顯，后者則指對構(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度等級不宜高于C40”的規(guī)定，但實際工程設(shè)計中樓蓋合適的混凝土強度等級應(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)計強度高于梁板的設(shè)計強度必然存在，而且隨著建筑物高度的增大，兩者的設(shè)計強度差距會越大，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)點區(qū)采用樓蓋混凝土強度等級澆注）。如果要求其中的梁柱節(jié)點單獨澆注，則首先是其供應(yīng)量及澆注時間不易控制而會導(dǎo)致質(zhì)量事故，其次是節(jié)點區(qū)與梁板之間的分隔確實存在難度，故施工單位至少不希望大面積采用此方法。

　　3、受剪、受壓驗算規(guī)律

　　考慮到現(xiàn)場施工的操作程序，同時又要滿足規(guī)范中對節(jié)點核心區(qū)承載力的要求，我們列舉數(shù)例對典型節(jié)點區(qū)的受剪、軸心受壓、偏心受壓進(jìn)行計算。通過驗算可得出以下規(guī)律：

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

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

　　3.3當(dāng)梁板比柱的混凝土強度等級低10MPa及以上而仍用梁混凝土澆注節(jié)點區(qū)，則對節(jié)點區(qū)必須采取措施。從偏心受壓公式N≤0.9（fcAcor＋f’yA’s＋2αfyAsso）中的3項抗壓數(shù)值來看，第1項即節(jié)點區(qū)截面混凝土抗壓強度是不可變更的；第3項即箍筋提供的抗壓強度所占的比例最小，且一般設(shè)計不可能改變節(jié)點區(qū)的配箍規(guī)格；第2項即節(jié)點區(qū)豎向鋼筋提供的抗壓強度所占比例較大，且若采用HRB400鋼（fy=360N/mm2）來增加節(jié)點區(qū)的豎向配筋率則可顯著提高其抗壓強度。

　　4、施工措施

　　考慮到梁柱節(jié)點區(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)點區(qū)的施工措施歸納如下：

　　4.1當(dāng)梁板與柱的混凝土強度等級僅相差5MPa時，節(jié)點區(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度等級分別低于10MPa和15MPa時，節(jié)點區(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度等級低20MPa及以上時，再靠增設(shè)節(jié)點區(qū)豎向短筋來提高其抗壓強度已不可行，其原因一是無法布筋，二是短筋數(shù)量太大。此時節(jié)點區(qū)需采用與柱同等級混凝土單獨澆注，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。

　　偏心受壓計算公式中沒有體現(xiàn)節(jié)點區(qū)各方向水平梁對其提高強度的影響，事實上該影響是存在且有效的，尤其中柱節(jié)點通常有兩向梁對其約束產(chǎn)生的效果較為顯著。正如抗剪驗算中考慮“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，但事實上應(yīng)有所不同。筆者認(rèn)為，上述施工措施可以針對邊柱和角柱節(jié)點區(qū)而言，如系中柱節(jié)點區(qū)，則可將各條措施中梁柱混凝土強度等級的差異各提高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。

　　5、混凝土強度等級的合理取值

　　梁柱節(jié)點區(qū)的強度驗算和施工處理同時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)件混凝土強度等級的合理取值問題，其合理與否必須符合以下原則：

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

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

　　根據(jù)上述原則，有關(guān)混凝土強度等級的確定，對于諸如樓層數(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)件二者間混凝土強度等級的搭配，下面的取值可能是較合理和科學(xué)的（括號內(nèi)為樓層混凝土等級）：

　�、�30層：C40(C30)→C35(C30)→C30(C25)→C25(C25)；

　�、�40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度等級的配搭，對于30層高層建筑，節(jié)點區(qū)需要加短筋的僅為1/4樓層；對于40層高層建筑，則為3/5樓層；對于55層高層建筑，第1方案節(jié)點區(qū)需單獨澆注混凝土的為2/7，節(jié)點加短筋的為3/7，第2方案節(jié)點區(qū)需單獨澆注混凝土的1/4，節(jié)點加短筋的為1/2（后一方案的優(yōu)點在于混凝土強度等級種類最少，僅有4種且為完整等級）。至于節(jié)點區(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)合箍筋的交叉點處，當(dāng)交叉點少于短筋根數(shù)時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。