混凝土框架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的力學(xué)溯源

楊 青 楊國(guó)兵

(1.滁州學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000；2.安徽滁州技師學(xué)院，安徽 滁州 239000)

0 引言

框架混凝土結(jié)構(gòu)房屋無(wú)處不在。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼筋處理方式是影響框架結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵，楊洪渭等[1]通過(guò)擬靜力試驗(yàn)比較新型裝配式與普通現(xiàn)澆混凝土框架節(jié)點(diǎn)，具有較飽滿的滯回曲線、較好的剛度和耗能特性，邢國(guó)華等[2]通過(guò)建立明確力學(xué)計(jì)算模型探討框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪機(jī)理，李振寶等[3]通過(guò)對(duì)正方形框架截面柱在雙向受力下節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力機(jī)理的研究，得出核心區(qū)混凝土形成斜壓桿，箍筋和柱筋分別形成水平和豎向的拉桿，共同承擔(dān)節(jié)點(diǎn)合剪力結(jié)論，建立抗剪承載力計(jì)算方法并通過(guò)試驗(yàn)得以驗(yàn)證。但實(shí)際施工中，框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)往往處理不當(dāng)。本文通過(guò)框架梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造加以分析，觸及梁柱結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理，探究混凝土梁柱結(jié)構(gòu)施工和監(jiān)理中應(yīng)予關(guān)注的問(wèn)題。

1 明晰構(gòu)件約束變化造成的后果

某商場(chǎng)為框架結(jié)構(gòu)，沿街柱距為4.5 m，柱截面尺寸為450 mm×500 mm，沉管灌注樁基礎(chǔ)，2層沿街裙房樓面原設(shè)計(jì)為矩形截面懸臂梁(180 mm×600 mm)，計(jì)算跨度取2.2 m，懸臂梁頂配筋3Φ25，梁下2Φ12(均為Ⅱ級(jí))，箍筋Φ8@200(Ⅰ級(jí))，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，外掛連續(xù)梁(矩形截面180 mm×600 mm)，后在其上增加用作一排庫(kù)房，屋面板厚120 mm，磚砌體墻厚度分別為180 mm,120 mm，懸臂梁端部下增設(shè)鋼筋混凝土柱，木樁基礎(chǔ)，庫(kù)房(設(shè)置180 mm厚普通磚砌體橫隔墻)結(jié)構(gòu)布置見圖1a)，使用后發(fā)現(xiàn)外排立柱下沉，致使立柱與懸臂梁脫空,原水平梁產(chǎn)生裂縫見圖1b)。現(xiàn)根據(jù)該工程實(shí)例，立柱與水平梁連接前后的計(jì)算簡(jiǎn)圖與內(nèi)力計(jì)算，庫(kù)房?jī)舾呷?.6 m，屋面板跨度取3.0 m，屋面荷載設(shè)計(jì)值取5.5 kN/m2。立柱下沉前后，導(dǎo)致水平梁受力方式發(fā)生劇變，彎矩剪力內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分別見圖2，圖3。

根據(jù)水平梁的設(shè)計(jì)參數(shù)，見圖4，進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的復(fù)核。

b×h=180 mm×600 mm,h0=600-35=565 mm。

As支座=1 471 mm2,As跨中=226 mm2。

180×565×0.452×(1-0.5×0.452)=193 kN·m。

180×565×0.069×(1-0.5×0.069)=36.95 kN·m。

Mu支=193 kN·m

Vu=174.1 kN

不難得出，水平梁支座約束變化就是造成水平梁產(chǎn)生彎剪裂縫的根源,為分析診斷裂縫成因與處理提供依據(jù)。

2 梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造分析

2.1 框架梁控制截面鋼筋構(gòu)造

框架梁支座負(fù)筋和跨中正筋的配置，均來(lái)自結(jié)構(gòu)彎矩圖控制截面峰值，按結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)及混凝土強(qiáng)度等級(jí)，鋼筋級(jí)別和受力鋼筋直徑進(jìn)行有效錨固，同時(shí)進(jìn)行箍筋加密區(qū)范圍設(shè)置[4]。

2.2 框架梁鋼筋錨固及箍筋加密的機(jī)理

我國(guó)大量公共建筑與居住建筑均在抗震設(shè)防考慮范圍內(nèi)，依建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)類型、烈度和房屋高度劃分抗震等級(jí)。圖集明確規(guī)定了抗震等級(jí)一級(jí)至四級(jí)情況下各種位置梁柱節(jié)點(diǎn)的梁鋼筋錨固要求，監(jiān)理工程師隱蔽工程驗(yàn)收時(shí)應(yīng)予明確。典型框架梁柱節(jié)點(diǎn)破壞見圖5，LZ節(jié)點(diǎn)錨固見圖6。

在框架梁柱關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處，地震(左震或右震)會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)力重分布，梁端應(yīng)考慮吸收地震能量出現(xiàn)的塑性鉸，塑性鉸不同于普通鉸，它必須能夠承受彎矩，如果此時(shí)受力鋼筋沒(méi)有錨固或錨固不足，則會(huì)造成此處鋼筋不能發(fā)揮受力特性而引起塑性鉸失效。但另一方面也必須關(guān)注，梁端縱筋超配筋也是非常有害的，有資料顯示，日本、新西蘭及歐洲規(guī)范，特別在縱向鋼筋的延伸率、強(qiáng)屈比方面做出嚴(yán)格規(guī)定以保證梁端塑性鉸的實(shí)現(xiàn)。

2.3 框架柱端箍筋加密的機(jī)理

貫徹規(guī)范要領(lǐng)的圖集已明確，框架柱端的封閉加密箍筋構(gòu)造要求見圖7，在軸壓比很大的情況下，箍筋配箍率不足或未按規(guī)范要求進(jìn)行箍筋加密(加密的作用主要是約束核心混凝土)，由于水平地震力作用，柱端會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩和剪力[5]，引起彎剪斜裂縫，地震力方向反復(fù)變化，形成X形狀裂縫分割混凝土，最后鋼筋壓屈，箍筋外繃，混凝土壓碎，造成框架柱柱頭壓屈柱腳崩潰現(xiàn)象。

圖8就是一地震后出現(xiàn)的框架柱端破壞情景。而柱端一旦出現(xiàn)塑性鉸，柱端抗剪能力急劇下降，剪切破壞(脆性破壞)就形成了，要體現(xiàn)與建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求的“強(qiáng)柱弱梁”原則，框架柱端節(jié)點(diǎn)的縱向受力鋼筋(不允許鋼筋出現(xiàn)連接)和橫向加密箍筋，以及混凝土的澆筑質(zhì)量，是構(gòu)成這一關(guān)鍵部位的主要因素。

3 鋼筋接頭位置分析

構(gòu)件中鋼筋的接頭位置及數(shù)量，是隱蔽工程驗(yàn)收需控制的問(wèn)題，其中也包含著構(gòu)件的受力原理，自然是問(wèn)題的根源，何為強(qiáng)調(diào)鋼筋同一連接區(qū)段內(nèi)及接頭率時(shí)，規(guī)范明確規(guī)定(如圖9所示)，小于連接區(qū)段長(zhǎng)度范圍內(nèi)的接頭就是鋼筋的傳力薄弱區(qū)域，連接區(qū)段對(duì)于機(jī)械連接為35d，焊接為35d且不小于500 mm，綁扎連接為1.3ll或1.3llE，這就是為什么框架柱豎向受力鋼筋接頭交錯(cuò)，且規(guī)定在距離梁板不小于500 mm高的規(guī)定的緣故，如圖10所示。

實(shí)際工程中剪力墻豎向鋼筋的接頭位置距離樓面及兩接頭位置錯(cuò)開距離，梁板柱墻施工縫、后澆帶等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋接頭位置與數(shù)量等均與規(guī)避其內(nèi)力峰值不無(wú)關(guān)聯(lián)，任何形式鋼筋的連接均是對(duì)其受力性能的削弱。明白其道理，不論是對(duì)于施工或監(jiān)理崗位，對(duì)墻、柱、梁、板或基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量控制均有醍醐灌頂之功效。

4 鋼筋偏位對(duì)框架梁抗彎承載力的影響

以單筋截面受彎構(gòu)件為例，矩形截面懸臂梁，截面尺寸240 mm×500 mm，梁頂配筋3Φ25，梁下2Φ12(均為Ⅱ級(jí))，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，因?yàn)榱喉斾摻钕鲁猎斐傻目箯澇休d力降幅見表1。

表1 某單筋矩形鋼筋偏位抗彎承載力變化

從表1中可以得出，該梁頂鋼筋安裝偏差(下移)每30 mm為基準(zhǔn)，抗彎承載力下降達(dá)7.7%。

5 結(jié)語(yǔ)

框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，理論已比較成熟，目前應(yīng)用有YJK軟件、PKPM-BIM等軟件，建立結(jié)構(gòu)正確的計(jì)算模型是關(guān)鍵，同時(shí)充分考慮計(jì)算荷載取值及最不利效應(yīng)組合，給予結(jié)構(gòu)足夠的抗力以滿足結(jié)構(gòu)的安全可靠度，作為施工與監(jiān)理，要注重施工過(guò)程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與混凝土澆筑質(zhì)量，采取有效措施，確保決定框架結(jié)構(gòu)抗壓、彎(拉)、剪抗震承載力的主要因素(如截面尺寸、混凝土保護(hù)層厚度、材料強(qiáng)度與主要抗彎抗剪鋼筋的位置、數(shù)量、型號(hào)及接頭數(shù)量方式方面)滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范要求。只有從源頭上對(duì)框架結(jié)構(gòu)加以力學(xué)分析、認(rèn)識(shí)與探究，重視框架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)“內(nèi)幕”材料的力學(xué)機(jī)理，方能整體定性響應(yīng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力“需求”，使框架結(jié)構(gòu)不論是在使用狀態(tài)或施工過(guò)程均處于質(zhì)量可控狀態(tài)。