框架節(jié)點區(qū)采用不同強度等級混凝土的處理方法

[摘要]高層建筑結構框架柱因受較大的豎向荷載作用,混凝土強度等級相對框架梁高出幾個5MPa的強度等級。通過介紹相關研究數(shù)據(jù)的結果,在遵循抗震設計中“強節(jié)點弱構件”的原則,和保證結構節(jié)點安全合理的前提下,提出如何解決框架節(jié)點區(qū)采用不同強度等級混凝土時,所帶來的一系列設計和施工的問題。

[關鍵詞]框架梁柱節(jié)點 商品泵送混凝土 表現(xiàn)強度 施工 混凝土強度等級 強節(jié)點弱構件

中圖分類號:TU7文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0910091-01

從建筑布置看,與框架柱高對應的是層高,與框架梁跨對應的是開間;從從結構受力看,框架柱是壓彎構件,框架梁是彎剪構件;所以在高層建筑物中,由于柱是主要的抗側力構件,柱的截面往往大于梁的截面,底層柱因承受的彎矩大而處于受力不利狀態(tài)。對于高層建筑結構來說,為保證建筑有盡可能大的使用空間,在保證結構設計經(jīng)濟、安全可靠的前提下,可對柱截面進行一定程度的“瘦身”,依靠提高框架柱的混凝土強度等級來縮小框架柱的截面尺寸。對于現(xiàn)階段的柱子混凝土強度等級,常用的為C20-C40,事實上隨著當前技術的成熟,已逐步采用到C50、C60乃至更高等級。而水平受彎構件如梁、板,要達到縮小截面的目的,主要還是靠提高梁、板鋼筋的強度等級,混凝土強度等級的高低對其截面尺寸及配筋率影響很小,故常規(guī)的水平受彎構件梁板考慮到因高強度混凝土的易收縮及對裂縫的控制,其混凝土強度等級一般不宜太高,常用的有C20-C30,《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》JGJ3-2002中第13.5.7條也有規(guī)定:當柱混凝土設計強度高于梁、樓板的設計強度時,應對梁柱節(jié)點混凝土施工采取有效措施。并沒有梁柱混凝土強度等級相差允許值的規(guī)定。

現(xiàn)澆框架梁的混凝土強度等級,當抗震等級為一級時,不應低于C30,當抗震等級為二、三、四及非抗震設計時,不應低于處C20。且梁的混凝土強度等級不宜大于C40。在工程設計過程中,為滿足框架柱軸壓比,其混凝土強度等級遠比框架梁的混凝土強度等級高,而與此同時,在施工過程中,尤其是考慮到現(xiàn)代工程商品泵送混凝土在施工現(xiàn)場的大規(guī)模運用,為保證施工現(xiàn)場的泵送商品混凝土在澆筑豎向水平構件時的施工方便,易于操作,又保證混凝土質量,框架柱的混凝土強度等級與梁的混凝土強度等級不同時,節(jié)點混凝土應該如何處理呢?為了保證“柱的強度大于梁”,“節(jié)點的強度大于構件”(前者為了避免柱的破壞先于梁的破壞,導致框架結構形成可變體系喪失整體穩(wěn)定;后者為了避免梁柱節(jié)點破壞先于其連接的構件,保證結構的整體性的原則)。普遍的結構工程師往往希望節(jié)點的混凝土強度等級應選擇同較高的構件。那在方便施工,易于操作又保證混凝土質量的情況下,是否可以對框架樓蓋及梁柱節(jié)點采用較低的梁板混凝土等級統(tǒng)一澆筑呢?首先,我們先了解一下框架節(jié)點區(qū)“表現(xiàn)強度”的概念。

一、框架節(jié)點區(qū)采用樓蓋混凝土強度等級的“表現(xiàn)強度”

有理論研究和結構試驗證明:梁柱節(jié)點區(qū)若采用樓蓋的混凝土強度等級后,由于框架柱上下端對梁柱節(jié)點區(qū)域產(chǎn)生豎直方向的約束,而交于節(jié)點區(qū)處的框架梁及樓板對節(jié)點產(chǎn)生水平方向的約束,以及梁柱節(jié)點區(qū)域內封閉箍筋對混凝土產(chǎn)生的環(huán)向約束,從而使得節(jié)點區(qū)最后體現(xiàn)出“表現(xiàn)強度”比原澆筑的混凝土強度高出許多,有的已接近甚至超過豎向框架柱構件的混凝土強度等級。若考慮框架梁柱節(jié)點區(qū)“表現(xiàn)強度”計算公式的幾項節(jié)點區(qū)約束條件的共同作用,在一定程度上可以解決“是否可以對框架樓蓋及梁柱節(jié)點采用較低的梁板混凝土等級統(tǒng)一澆筑?”的問題。

二、框架梁柱節(jié)點混凝土表現(xiàn)強度的計算公式

框架梁柱節(jié)點混凝土變現(xiàn)強度的計算公式:fcu=⊿1+⊿2+⊿3+⊿4

式中:⊿1—樓蓋(梁板)混凝土原有的立方體抗壓強度標準值;⊿2—上下柱段對樓蓋混凝土的約束作用;⊿3—荷載擴散對樓蓋混凝土的影響;⊿4—樓蓋穿過柱體的水平鋼筋及節(jié)點環(huán)形箍筋對混凝土的約束作用。

對于框架混凝土中柱:fcu=⊿1+⊿2+⊿3+⊿4;對于框架混凝土邊柱:fcu=⊿1+⊿2+⊿4;對于框架混凝土角柱:fcu=⊿1+⊿2;

根據(jù)以上公式可知:在相同的設計條件下,同一樓層的節(jié)點區(qū)“表現(xiàn)強度”由大到小依次為:中柱、邊柱、角柱,其中邊柱的fcu是中柱和角柱的平均值,邊柱的fcu是中柱的0.9倍左右,角柱的fcu是中柱的0.8倍左右。因此,為了使同一樓層的邊柱和角柱的節(jié)點區(qū)域的“表現(xiàn)強度”都能滿足設計要求,設計時要保證邊柱和角柱的軸壓比低于中柱(如中柱軸壓比Nu=0.8,則邊柱的Nu=0.8X0.9+0.72,角柱Nu=0.8X0.8=0.64),否則要增加梁柱節(jié)點區(qū)混凝土“表現(xiàn)強度”的驗算工作量。

為此,研究者還作了大量的工作,并根據(jù)不同的梁柱混凝土強度等級算出的梁柱節(jié)點強度值,計算結果表明:

1.當豎向構件的混凝土強度等級與水平構件相差15MPa甚至20MPa時,節(jié)點區(qū)域可以考慮采用水平構件(樓蓋)混凝土強度等級澆筑;2.當豎向構件的混凝土強度等級較高時,相應的樓蓋混凝土強度應取較高值,比如:豎向構件混凝土為C50-C60范圍時,樓蓋混凝土強度應選用C30或C30以上;3.當豎向構件的混凝土強度等級不太高時,其相應的樓蓋混凝土強度等級不必取高值,比如:豎向構件混凝土為C40,則樓蓋混凝土可取C25甚至C20,而不必取C30。

故當梁柱節(jié)點混凝土強度比柱低30%-40%時,能滿足梁柱節(jié)點同柱混凝土強度的要求。以上在設計時便應將框架梁柱節(jié)點驗算確定,在一定程度上保證施工現(xiàn)場的泵送商品混凝土在澆筑豎向水平構件時的施工方便,既易于操作,又保證混凝土質量。

若因設計及實際需要,梁柱混凝土強度等級差異40%以上時,施工過程中應先澆灌梁柱節(jié)點高等級的混凝土,并在梁上留約45°左右的坡槎,而后再澆筑低強度等級的混凝土。澆筑方式如圖1:

參考文獻:

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作者簡介:

秦峻英(1981-),2003年7月畢業(yè)于廣西大學土木工程專業(yè),現(xiàn)為桂林市建筑設計研究院助理工程師。