高层建筑框架梁柱节点的强度验算和施工处理

1 规范条文摘录
在《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)中，关于框架梁柱节点区混凝土的设计和浇注，有以下条文内容:
（1）当柱混凝土设计强度高于梁、楼板的设计强度时，应对梁柱节点混凝土施工采取有效措施(第13.5.7条)。
（2）抗震设计时，一、二级框架的节点核心区应按本规程附录C进行抗震验算；三、四级框架节点以及各抗震等级的顶层端节点核心区，可不进行抗震验算(第6.2.7条)。
规程对梁柱节点区混凝土的设计及施工并未作出明确的规定，而在高层建筑混凝土结构的设计与施工中，这一问题是不能回避的。因此，寻求一种梁柱节点区混凝土合理设计和便利施工的方法正是本文的目标。
2 高层建筑混凝土结构设计和施工中的现实问题
（1）为了满足柱轴压比的要求，同时又要控制柱截面不过大，柱子采用较高强度等级的混凝土是一种必然。而对于以受弯为主的楼层梁板，过高的混凝土强度等级却是不需要且不适宜的。不需要指的是对构件抗弯承载力的贡献不明显，不适宜的是指对构件承受混凝土收缩应力、温度应力等不利。由此可见，高层建筑柱混凝土设计强度高于梁板的设计强度必然存在，而且随着建筑物高度的增大，二者的设计强度差距会越大。
（2）目前混凝土的浇筑施工几乎都是采用商品混凝土泵送工艺，而且习惯于将竖向构件与水平构件分两批集中浇注(即节点区采用楼盖混凝土强度等级浇注)。如果要求其中的梁柱节点单独浇注，则首先是其供应量及浇注时间不易控制而会导致质量事故，其次是节点区与梁板之间的分隔确实存在难度，故施工单位至少不希望大面积采用此方法。
3 受剪、受压验算规律
考虑到现场施工的操作程序，同时又要满足规范中对节点核心区承载力的要求，我们通过工程实例对典型节点区的受剪、轴心受压、偏心受压进行验算得出以下规律:
（1）按《高规》附录C进行受剪抗震验算，即使柱梁混凝土强度等级相差20MPa，而节点区用楼盖混凝土强度等级浇注，其节点核心区截面的受剪承载力仍可以满足要求。
（2）在偏心受压验算中，当梁板混凝土强度等级比柱低5MPa时，其受压强度可以满足要求；当两者的混凝土强度等级相差10MPa及以上时，其受压强度不满足要求。
（3）当梁板比柱的混凝土强度等级低10MPa及以上而仍用梁混凝土浇注节点区，则对节点区必须采取措施。从偏心受压公式N≤0.9(?cAcor+? yA s+2α?yAsso)中的3项抗压数值来看，第1项即节点区截面混凝土抗压强度是不可变更的；第3项即箍筋提供的抗压强度所占的比例最小，且一般设计不可能改变节点区的配箍规格；第2项即节点区竖向钢筋提供的抗压强度所占比例较大，且若采用HRB400钢（?y=360N/mm2）来增加节点区的竖向配筋率则可显著提高其抗压强度。
4 施工措施
考虑到梁柱节点区需要处理的都在高层建筑的下部，该区段的柱主筋配筋率一般接近或略大于1%,因此根据以上规律可将节点区的施工措施归纳如下:
（1）当梁板与柱的混凝土强度等级仅相差5MPa时，节点区完全可以与楼盖一起浇注。
（2）当梁板比柱的混凝土强度等级分别低10MPa和l5MPa时，节点区需增设竖向短筋，其数量分别为柱主筋配筋量的50%和100%。
（3）当梁板比柱的混凝土强度等级低20MPa及以上时，再靠增设节点区竖向短筋来提高其抗压强度已不可行，其原因一是无法布筋，二是短筋数量太大。此时节点区需采用与柱同等级混凝土单独浇注。
偏心受压计算公式中没有体现节点区各方向水平梁对其提高强度的影响，事实上该影响是存在且有效的，尤其中柱节点通常有两向梁对其约束产生的效果较为显著。笔者认为，上述施工措施可以针对边柱和角柱节点区而言，如系中柱节点区，则可将各条措施中梁柱混凝土强度等级的差异各提高5MPa。
5 混凝土强度等级的合理取值
梁柱节点区的强度验算和施工处理同时也涉及到高层建筑混凝土结构中竖向构件和水平构件混凝土强度等级的合理取值问题，其合理与否必须符合以下原则
（1）整个工程的竖向构件混凝土强度等级种类不宜太多，一般为8层左右变1个等级，且与竖向构件截面的变化同步。
（2）水平构件的混凝土强度等级取值要符合规范要求，同时要与竖向构件相搭配，使施工处理简单化，尽量避免或减少节点区单独浇注混凝土。
根据上述原则，有关混凝土强度等级的确定，对于诸如楼层数分别为30层(H<100m)、40层(H≈140m)和55层(H≈l90m)的高层建筑混凝土结构来说，其竖向构件及水平构件二者间混凝土强度等级的搭配，下面的取值可能是较合理和科学的(括号内为楼层混凝土等级)：①30层:C40(C30)→C35(C30)→C30(C25)→C25(C25)；②40层:C50(C35)→C45(C35)→C40(C30)→C35(C30)→C30(C25)；③55层: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)。
6 经济分析
在经济指标方面，节点区加插短筋所增加的用钢量对于一个节点来说是微不足道的，如果摊销到整个工程则更是微乎其微。由此可以看出以消耗工地上一些准备弃用的边材废料而换取节点区浇注混凝土的方便，无论从哪个角度衡量都是值得的。
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