多層建筑框架結構梁柱節點施工質量控制研究

師民勤（山西宏廈建筑工程第三有限公司，山西 陽泉 045000）

鋼筋混凝土結構由于其具有高承載性能、低變形能力、良好的耐火性能和耐久性能、材料易取得和可塑性強等優點，在土木工程領域得到了廣泛應用[1]。鋼筋混凝土梁柱節點是框架結構的重要核心部位，也是整個結構體系的受力傳遞點和各個專項工程交匯施工的核心。梁柱節點的施工質量直接關系整個結構的安全穩定。鋼筋混凝土梁柱節點是施工質量控制的薄弱環節，節點處構造復雜、模板架設困難、鋼筋密集、混凝土難以澆筑，導致節點極易發生空洞、開裂、不密實、鋼筋錨固不足等質量缺陷，削弱了框架節點的承載能力[2-3]。特別是在地震荷載作用下，梁柱節點的施工質量極易使得結構出現剪切破壞，會導致建筑物倒塌[4]。因此，研究鋼筋混凝土框架結構梁柱節點的施工質量日益受到關注，成為結構工程領域的研究熱點。

1 工程概況

山西省陽泉市某多層鋼筋混凝土辦公樓建筑總建筑面積為6600m2，建筑地上結構6層，地下1層，結構體系采用框架結構形式，結構總高度19m，首層結構4m，其余樓層高度3m。建筑平面大致呈矩形，長度方向50m，寬度方向22m，長度方向柱間距6m，寬度方向柱間距3m。混凝土柱采用方形截面，柱邊長450mm，采用C40 混凝土澆筑，角部鋼筋4Φ25mm，寬度方向一側2Φ25mm，高 度 方 向 一 側3Φ25mm，箍 筋8mm@100mm/250mm；主梁截面350mm×600mm，次梁截面250mm×350mm，主梁和次梁均采用C35混凝土澆筑，梁上部縱筋5Φ25mm（3/2），下部縱筋5Φ25mm，箍筋Φ8mm@100mm/200mm；梁柱節點采用強節點設計，節點由C45 混凝土澆筑；樓板厚度120mm，采用C30 混凝土澆筑，其余混凝土結構的混凝土等級為C25。結構主鋼筋均采用HRB400鋼，結構框架抗震等級為3級。

2 框架結構施工質量問題對節點性能的影響

2.1 框架結構節點數值模型的建立

節點的施工質量對其受力過程和破壞形態產生了重大影響。目前，有關節點受力機理的研究眾多，較為廣泛接受的節點受力機理主要有斜壓桿機理、剪摩擦機理和桁架機理[5-7]。為了研究框架結構節點施工質量問題對節點性能的影響，運用數模模擬手段建立梁柱節點三維模型，分析節點存在施工缺陷條件下的受力和變形，數值模擬程序采用ABAQUS 有限元軟件進行計算。模擬中選取主梁與柱的節點進行分析，梁體和柱體混凝土采用損傷塑性本構模型，模擬混凝土在產生損傷或斷裂條件下受單調、循環或動力作用的力學行為，鋼筋結構采用完全彈塑性加硬化的三折線模型，用于模擬鋼筋在屈服和強化后的應力和應變，其本構關系見式（1）～式（4）[8-9]。

當εs≤εy且εs≤εy≤εsh時：

當εsh≤εy≤εsu時：

式中Es-鋼筋的彈性模量，MPa；

fy-鋼筋抗拉強度的設計值，MPa；

εs-鋼筋彈性應變；

εy-鋼筋屈服應變；

εsh-鋼筋應力強化點應變；

εsu-鋼筋極限拉應變；

σs-鋼筋的應力，MPa；

θ-應力應變斜率夾角，°。

計算時，混凝土材料的物理力學指標見表1。鋼筋的彈性模量取2×105N/mm2，泊松比取0.3，抗拉強度設計值取360N/mm2。建立的框架結構梁柱節點混凝土和鋼筋三維模型如圖1所示，模型中柱子下端邊界均為固定邊界，柱子上端y 方向的平動位移和轉動均自由，其余方向的位移和轉角均為固定邊界，主梁前端的位移邊界均為固定邊界。

表1 混凝土材料數值模擬計算的物理力學指標取值

圖1 框架結構梁柱節點混凝土和鋼筋三維模型

2.2 框架結構節點數值模擬結果分析

為了模擬施工質量缺陷對節點性能的力學和變形的影響，計算設置了兩種不同的計算工況，分別是工況A：梁柱節點質量良好；工況B：梁柱節點的施工質量缺陷。施工質量缺陷通過對節點位置處的混凝土彈性模量進行折算實現，折算比值為0.3。圖2為不同工況條件下梁柱節點位置混凝土結構和鋼筋結構的應力云圖計算結果。

圖2 不同工況條件下梁柱節點位置混凝土結構和鋼筋結構的應力分布圖

由圖2可知，工況A 條件下，混凝土結構的應力主要集中在節點交接處，其次在柱體內側受壓區域也存在較大的應力，整體應力沿著梁柱內角分布，在節點交接處可以看出斜向的剪切應力；鋼筋的應力主要集中在節點交接處，梁體上部主鋼筋位置和柱體外部受拉區域的應力也較大，由于混凝土受力導致的橫向彎曲變形，使得梁柱交接處的應力明顯大于其他位置。梁柱節點在破壞前，由于梁柱節點的施工質量良好，節點位置處的鋼筋分擔了一部分斜向的剪應力，并且提高了混凝土的斜向壓力，使得節點混凝土在壓碎破壞前，梁柱鋼筋先達到屈服，整個受力過程屬于正常的壓剪破壞；工況B條件下，混凝土的應力也主要集中在梁體下部受拉區域和柱體內側受壓區域，節點交接處應力較大，但節點交接處斜向的剪切應力分布明細減弱；鋼筋的應力主要集中在節點交接處，梁體上部主鋼筋位置和柱體外部受拉區域的應力也較大，梁體下部的應力集中范圍明顯比工況A大，使得工況B的抗剪承載力遠小于工況A，工況B的柱體在剪切破壞時在節點處呈現明顯的錯動，核心區也先于工況A產生剪切破壞。

圖3為不同工況條件下梁柱節點位置混凝土結構的位移云圖計算結果。

圖3 不同工況條件下梁柱節點位置混凝土結構應變分布圖

由圖3可知，工況A 條件下，梁柱節點交接處的塑性變形大致呈正方形，且塑性變形值較為相近，而梁體中的塑性變形在梁高方向也大致分布均勻，塑性變形范圍大致為2 倍梁高；工況B 條件下，梁柱節點交接處的塑性變形也大致呈正方形，但其塑性變形值在正方形中部呈現明顯的突變，為結構缺陷導致混凝土受鋼筋的約束效應失效，而梁體中的塑性變形在梁高方向上的分布不均，表現為梁體上部大、下部小，極易產生受壓區混凝土拉裂破壞。

3 鋼筋混凝土框架結構節點施工質量控制

為改善多層結構框架結構梁柱節點的施工質量，提出以下施工質量控制方法。

3.1 改進梁柱節點模板為定型模板

傳統的梁柱節點采用拼接方式進行，由于節點的立面較多，導致模板存在較多的拼接縫，漏漿現象凸顯。為此，可以改變節點處的模板支撐方式和組裝方式，將其變為定型模板，并利用水平柱箍進行固定，提高模板的穩定性，減小拼接縫。

3.2 改變梁柱節點箍筋的綁扎方式

由于梁柱節點位置處的鋼筋眾多，箍筋綁扎質量低下是影響施工質量的主要原因之一。特別是在邊柱核心區，箍筋后穿梁體縱向鋼筋尤為困難，為此，可以使用柱箍筋筒和使用U型箍的方式，提高綁扎效率和綁扎質量。

3.3 防止柱筋發生位移

柱子鋼筋在綁扎階段為豎向構件，在無支持條件下容易產生位移，使得柱子的鋼筋間距發生改變，影響混凝土的澆筑，為此，可以在柱子主筋中采取加焊撐筋和加設模板的方式提高鋼筋的整體剛度，防止鋼筋變形和混凝土澆筑時對鋼筋的擠壓。

3.4 改進節點核心區混凝土澆筑方式

梁柱節點處鋼筋密集，在澆筑混凝土前有必要對鋼筋密集的節點進行排查，必要時可以在綁扎鋼筋時綁入鋼管，提高鋼筋的抗振能力，避免振搗時引發鋼筋移位，并配合使用小型振搗器，加強復雜核心區域的振搗，振搗棒從柱體的底部一直邊振邊拔，直到振搗密實。梁柱混凝土標號不一致的節點，可以使用塑料網將界面隔開避免混凝土的混合。

4 結語

以山西省陽泉市某多層鋼筋混凝土辦公樓建筑為研究對象，運用數值模擬的方法，建立了框架結構梁柱節點三維數值模型，分析結構的應力和應變規律，并提出相應的施工質量控制措施，得到以下結論：

（1）工況A和工況B的應力分布均主要集中在節點交接位置以及梁體下部和柱體內側，但存在施工缺陷的工況B，梁體下部的應力集中范圍明顯大于工況A，抗剪承載力明顯下降。

（2）工況A和工況B在梁柱節點交接處的塑性變形均呈正方形，但工況A 的塑性變形值較為相近，工況B的塑性變形值在正方形中部呈現明顯的突變；工況A在梁體中的塑性變形分布均勻，而工況B 則表現為梁體上部變形大、下部變形小。

（3）針對框架結構梁柱節點的施工質量問題，提出了梁柱節點模具改進、梁柱節點箍筋安裝改進、梁柱節點鋼筋錨固與搭接方式改進、節點核心區混凝土澆筑改進共四項施工措施，有效提高了節點混凝土的密實度和均勻性。