混凝土梁柱節點地震受力分析與技術措施

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0 前言

鋼筋混凝土框架結構梁柱節點核心區受力復雜，地震中往往破壞較嚴重，節點的松弛，也使建筑物在后續的余震中逐漸倒塌。通過歷年震害得知，混凝土框架結構雖整體性好，但如果設計、施工不當，建筑物依然會因節點薄弱而發生破壞（見圖1[1]）。

圖1 某梁柱節點處的地震破壞案例[1]

圖2 結構平面圖設計舉例

根據我國現行的《建筑抗震設計規范》[2][3]，設計人員會通過計算、配筋對混凝土梁柱節點進行加強；從施工角度來看，節點核心區不僅受力復雜，而且還是縱筋交匯錨固區域[1]，對施工要求也比較高。如果鋼筋與混凝土搭配不協調，混凝土澆筑、振搗不充分，原材料未必能充分發揮作用。

1 水平地震作用下鋼筋混凝土梁柱節點處的受力分析

1.1 框架柱節點處豎向構件與水平構件受力情況對比

根據圖 3所示，在水平地震作用下，無論框架梁還是框架柱，彎矩最大的部位均位于節點處。由圖 4可知，框架梁軸力可以忽略不計，而框架柱卻承擔了大量的軸力。隨著整體變形繼續加大，框架柱所受彎矩因P-△效應而迅速加大。如果節點處柱子配筋薄弱，在水平移動的影響下，豎向構件往往率先破壞。

1.2 角柱、中柱節點核心區受力情況對比

（1）建筑物扭動作用分解

根據圖2、圖3所示，以6軸交B軸處向北1.2m位置為圓心，角柱距圓心約20m，邊柱距圓心約18m，而中柱距圓心最多只有10m。假定該建筑平面絕對剛性，建筑物在地震作用下因質心與形心不重合而發生扭動：此時角柱的水平位移量是中柱（3軸交B～C軸處）的2倍，彈性模量一致，那么角柱彎矩便也是中柱的2倍；

（2）第二，建筑物平動作用分解

根據圖3、圖4所示，在水平地震作用下，框架柱除了承受因豎向荷載而產生的軸壓力之外，同時還承受因受彎而產生的壓力。地震中，扭動與平動往往同時出現，對此，設計工作者應對角柱采取加強措施，在遵守規范的前提下，節點處盡量加大單根鋼筋的直徑，減少鋼筋數量，避免施工過程中因鋼筋過密導致混凝土澆筑不充分。如果節點核心區混凝土未能充分填實，那么最終節點強度將無法達到設計要求。

1.3 水平地震作用下樓梯平臺與框架柱之間的節點受力情況分析

休息平臺處梯梁與框架柱之間的節點與其他節點相比，受力情況也有其特殊的一面。第一，對于建筑整體而言，各框架柱從首層到頂層的節點數量差別不大，在水平作用下剛度差別也不大，而樓梯間休息平臺在半層處出現水平梁板構件，使得此處框架柱剪跨比變小，成為整個結構中的短柱[1]，同等位移條件下，樓梯間的框架柱所受的地震剪力較大，容易出現破壞現象；第二，樓梯間休息平臺梯梁處的框架柱另一側沒有框架梁[1]，在水平作用的影響下，梯梁對柱子中部有集中力，導致梯梁與柱子節點處發生破壞。

圖3 水平地震作用下框架彎矩圖(kN·m)力圖(kN)

圖4 水平地震作用下框架梁剪力圖和柱軸

由以上分析可知，在地震作用下，梁柱節點處受壓、受彎、受剪交織到一起，成為整個建筑物的薄弱環節。

2 針對梁柱節點的技術措施

2.1 根據梁柱節點破壞機理采取的措施

從設計角度來看，梁柱節點要按照“強柱弱梁”的原則進行設計，在地震作用下，要使塑性鉸首先在框架梁梁端出現，盡量避免或者減少在柱中出現[3]。梁端塑性鉸，使框架梁的連結方式由固接變為鉸接，既能消耗地震能量，又能阻隔能量傳遞，框架梁不受P-△效應的影響，也不易加劇豎向構件的破壞。

第一，結構設計時要對框架柱進行加強（即尺寸設計時增加剛度，盡量使反彎點不在對應樓層內）；根據節點核心區軸壓比調整豎向構件尺寸；配筋時增加框架柱縱向鋼筋的配筋量，節點核心區框架柱水平箍筋要加密；

第二，設計時盡量使節點左右的梁縱筋通長設置，減少鋼筋數量，使混凝土不至于因鋼筋間距過小而不能有效填滿。

第三，控制梁端縱筋的配筋量，使結構在地震作用下先在梁端出現塑性鉸；框架柱的縱筋適量加大，增強其抗彎能力。

2）根據框架柱混凝土受壓、受剪破壞特征采取的措施

第一，混凝土構件在不斷增加的壓力作用下發生破壞，箍筋與裂縫擴展方向一致，能有效控制裂縫的發展，增強抗壓能力。在地震作用下，節點受壓區應力隨彎矩加大而加大，受拉與受壓作用反復交替施加，加快了混凝土裂縫的發展。

第二，水平位移往往使框架柱因受剪而發生破壞，在建筑結構中，節點核心區在剪力和壓力雙重作用下很容易率先破壞。因此，設計時，工作人員要保證節點的強度；綁扎鋼筋時，工作人員要避開鋼筋搭接；澆筑混凝土時，要振搗充分，滿足設計要求。

3 結語

通過以上分析可知，鋼筋混凝土梁柱節點需要采用各種措施進行加強：第一，在設計方面，工作人員要本著“強柱弱梁”和“強節點、強錨固”的原則，認真核算軸壓比，有效控制框架梁、框架柱的剛度、強度比例，加強豎向構件的承載能力，在規范允許的范圍內，盡量使配置的鋼筋簡潔、可操作；第二，在施工方面，工作人員要嚴格把控鋼筋綁扎質量、混凝土澆筑質量，保證節點核心區水平箍筋均勻分布、混凝土振搗密實。總之，無論設計還是施工，工作人員都要嚴加把控各個環節，才能有效抵抗水平地震作用，阻止建筑結構的整體破壞。

[1]清華大學，西南交通大學，重慶大學等. 汶川地震建筑震害分析及設計對策[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2009：131-133.

[2]GB50011-2010，建筑抗震設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]周云，宗蘭，張文芳等. 土木工程抗震設計[M]. 北京：科學出版社，2005.