框架节点不等强混凝土浇筑方法的思考与建议.pdf

第 4 2卷 第 2期2 0 1 1年 2月 Vo 1 42 No 2 Fe b 2 01 1 建 筑 技 术 Ar c hi t e ct u r e Te c h no o g v 1 47 框架节点不等强混凝土浇筑方法的思考与建议 邱玉深 邱 静 ( 辽 宁 省 铁岭 市 第 一建 筑 工 公 ， 1 1 2 0 0 0， 辽 宁 铁岭 ) 摘要 ： 交汇于框架节点区的两种强度 等级 的混凝土其浇筑方法有两种 ， 一是柱与梁采用不同强度 的混凝 土分界浇筑 ， 二是节点区混凝土以梁板低强混凝土替代的低强浇筑 ， 通过对方便施工且受力合理的节点 区处理 方法 的分析 ， 提出了关于框架 节点区不等强混凝土浇筑方法的建议 。 关键词 ： 框架 ； 不等强混凝土 ； 约束 ； 折算强度 ； 抗剪强度 ； 直交梁 中图分 类 号 ： T U 7 5 5 6 文献 标 识码 ： A 文章 编 号 ： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 1 4 7 0 3 T HI NKI NG AND S UGGES TI oNS oN F RAME NODE U NEQUAL S TR ENGTH CoNCRETE CAS TI NG M ETHoD QI U Yu - s h en QI U Ji n g ( T i e l i n g N o 1 C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g C o o f L i a o n i n g P r o v i n c e ，1 1 2 0 0 0 ， T i e l i n g ，L i a o n i n g ，C h i n a ) Abs t r a c t ：Th e r e a r e t wo me t h o d s f o r c a s t i n g c o n c r e t e s o f t w o d i ffe r e n t s t r e n g t h g r a d e s c o n n e c t e d a t t h e f r a me n o d e On e o f t h e t wo me t h o d s i s t o c a s t c o l u mn a n d b e a m b y u s i n g c o n c r e t e o f d i f f e r e n t g r a d e s a l o n g t h e i r d i v i d i n g l i n e ， a n d t h e o t h e r me t h o d i s l o w s t r e n g t h c a s t i n g o f b e a m s l a b l o w s t r e n gth c o n c r e t e a t t h e f r a me n o d e S u g g e s t i o n s o n u n e qu a l s t r e n g t h c o n c r e t e c a s t i n g me t h o d a r e p r o p o s e d t h r o u g h a n a l y s i s o n t h e t r e a t me n t me t h o d o f t h e n o d e a r e a wh e r e i s c o n v e n i e n t f o r c o n s t r u c t i o n a n d wh e r e f o r c e i s a p p l i e d r e a s o n a b l y Ke y wo r d s ：f r a me ；u n e q u a l s t r e n gth c o n c r e t e ；c o n s t r a i n ；c o n v e r s i o n s t r e n gth ,s h e a fin g s t r e n g t h ；o r t h o g o n al b e a m 多层及高层钢筋混凝土框架中，由于竖向柱的荷 载较大 ， 为充分利用混凝土的抗压强度 ， 满足框架轴压 比 的要求 ， 以 求控 制柱 的截 面 不能 过大 ， 要求柱 的混凝 土强度与其梁板相比相对较高 。对于以受弯为主的梁 和板而言， 则不需过高强度等级 的混凝土， 原因一是过 高的混凝土强度对于梁板等受弯构件承载能力的贡献 不很明显 ，二是过高的混凝土强度会增大收缩应力及 水化热温升 引起的温度应力，易弓 1 起混凝土开裂。因 此 ，受力不大的梁板提倡采用能满足结构设计要求 的 较低 强度等 级 的混凝 土 。 我国行 业标 准 高层建 筑混 凝 土结构技术规程 ( J C J 3 2 0 0 2 ) 第4 5 2 条规定 ， 现 浇 楼盖的混凝土强度等级不宜低于C 2 0 、不宜高于C 4 0 。 框 架 节点 区两 种 或 三 种 强度 等 级 的 混凝 土 汇 集 于 一 处 ， 给混凝土的浇筑和质量控制带来诸多困难。 1 节点 区不等强混凝土浇筑方法的思考 钢筋混凝土框架节点的混凝土一般都是柱 的强度 高 于梁 板 ， 梁 与板 整 浇 的楼盖 因梁按 T 形截 面 计 算 ， 所 以梁和板等强。交汇于框架节点区的两种强度等级 的 混凝土 ， 其浇筑方法可归纳为下述两种。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 1 1 - 2 9 作者简介 ： 邱玉深( 1 9 4 0 一) ， 男 ， 辽宁铁岭人 ， 教授级高级工程师 ， e ma i l wa n g p e n g t s g h o t ma i l c o rn 1 1柱 与梁 采用不 同强度的 混凝土 分界 浇筑 1 1 1 不等 强 混凝 土界 面的 留置 位置 柱与梁按设计强度等级用不同强度等级的混凝土 浇筑 ，但不 同强度 等级 混凝 土 的分界面 不能位 于柱 的 侧面 ， 可将柱的高强混凝土向梁中部延伸一段距离 ， 把 界面 留置在靠近柱边的低强混凝土梁上。 延伸长度 ( 斜 截面上部距柱侧面的距离) 一般为h ( 梁的截面高度 ) ， 6 0 0 mm， 2 h 等。 将高强度等级的混凝土延伸至梁内， 有 利 于改 善梁端 的延性 ，在 计算 梁端 负弯 矩配筋 时可按 高强 混凝 土考 虑 ， 不但可 减 少梁 纵 向受力 钢筋 的数量 ， 而且还可降低梁端截面的受压区高度 ，在增强梁端塑 性铰 延性 的 同时 ， 改 善 了节点 区 的复杂受 力状态 。 受 压 区高度越小 ， 则梁端塑性铰 的延性越强， 有利于提高结 构 的抗 震性 。因为梁 端截 面 的曲率延性 比大致与 混凝 土抗压强度成正比 ， 与受拉钢筋的配筋成反比。 综上所 述 ， 梁端采用与柱等强的高强混凝土 ， 不但可提高梁端 混凝土的抗剪能力并增强其延性 还可增强纵向受力 钢 筋在 节点 区 的锚 固 防 止纵 向受力钢 筋在 节点 区发 生粘结 破坏 和滑移 。但 梁端 塑性铰 向梁 内转移 的 距离 不能 过 大 ， 也 不 宜过 小 ， 一般 认 为 以2 h 且大 于 6 0 0 mm 为宜 。 使 其界 面位 于箍 筋加 密区之 外 ， 这 样做 不但可 避 免剪力最大的位置， 有利于改善结构受力状态 ， 而且便 于 不等 强混 凝土 之间 的隔断 ， 以便 施工 。 -l 4 8 建筑技术 第 4 2卷第 2期 1 1 2不等 强混凝 土界 面的 受力状 态和方位 不等强混凝 土宜连续 浇筑 ， 其 间不留置 施工缝 。 为 此， 应先浇筑柱的高强度等级混凝土， 界面处以钢丝 网 片隔断 ， 也可在其间设置隔板， 两侧混凝土同时浇筑且 边浇筑边提起隔板 ，但后者因箍筋及纵向受力钢筋的 障碍施 工有些困难 。 因为不等强混凝土两者之间存在物理力学特征的 诸多差异， 诸如两者的水泥品种及用量 、 用水量 、 水胶 比、 矿物掺合料及外加剂等都可能有所不同 ， 而弹性模 量 、 收缩及膨胀变形 、 水化热升温 、 温度变形及温度应 力 也各异 ， 不论 留置或不 留置施 工缝 该分 界面处 无疑 是薄弱环节。 极易产生裂缝 。与此同时， 其界面与其轴 线方向的夹角不同， 界面上的应力状态也不同。 框架梁 端一般除剪力作用外， 还存在弯矩作用， 不等强混凝土 界面处于弯剪区，存在着弯矩和剪力组成的主拉应力 和主压应力， 主应力迹线与梁 中和轴呈4 5 。 夹角 ， 因此 在斜截 面破坏 区段 ，界面应 与主拉应 力平行 且与梁 中 和轴呈4 5 o 夹角 ， 因为正应力达到极值的界面上剪应力 为0 ， 正好满足施工缝的“ 剪力较小方便施工” 的留缝原 则。 正应力达到极值的界面上剪应力等于0 的这一性质 是普遍的， 任何应力状态下均正确。由此可见， 不等强 混凝土的界面应做成与斜截面裂缝相垂直的斜截面 。 而不应 留置竖直缝 。 1 2 节点 区混凝土 以梁板低 强混凝土替代的低 强浇筑 以梁板低强混凝土替代柱高强混凝土的低强浇筑 方法必须对节点区进行强度补强，可采用约束混凝土 增强并进行其强度和必要的抗震验算。强度补强可采 用增加纵向附加钢筋或各种型钢 ，约束增强可采用梁 加腋、 增加直交梁或加大直交梁宽度、 箍筋加密及采用 螺旋箍筋等方法形成对节点区混凝土的有效约束 ， 该 “ 套箍作用” 使混凝土处于三向约束状态 ， 不但使混凝 土的极限变形得以提高 ，而且使箍筋的强度得 以充分 发挥， 从而提高了节点区混凝土的抗压强度。 试验研究 表明， 箍筋对混凝土的约束作用随箍筋的直径 、 间距及 构造形式的不同而变化，采用增加井字复合箍或其他 形 式的复合方 箍 ， 不但 可有效提 高混凝 土强度 ， 还可 有 效增 强混凝土 构件 的延性 和抗 震性 ，节 点区约 束混凝 土的轴心抗压强度和延性可提高1 3 4 5 ， 当含箍特 征值A = O 5 3 时， 混凝土强度可提高5 0 。与此同时， 节 点区箍筋在平行及垂直方向对混凝土沿两个斜向交替 受压所发挥的约束作用 ，其加密箍对节点区抗剪承载 能力 的提 高起重要作 用 。 节点 区内箍筋配 筋率过 高会对结 构不利 ，试验及 工程 实践证 明 ， 当节 点区产生贯 通 的斜 裂缝后 。 混凝 土 抗剪强度达到极值 ， 此时箍筋应力很低 ， 混凝土破坏先 于箍筋屈服 ，使得节点区的抗剪承载力达不到预期最 大值 箍筋不能充分发挥作用 ， 混凝土破坏具有明显脆 性。对于节点区， 我们希望钢筋先于混凝土破坏 ， 这就 须要求节点区尺寸不能过小，或者节点区的配筋率不 能过高 。因此 ， 应对 节点区 的最大配 箍率加 以限制 。 在 设计中可采用限制节点区水平截面上的剪压比来实现 这一要求 ， 试验表明 ， 当节点区截面的剪压比大于0 3 5 时 ， 增加箍筋的作用已不明显， 此时须增加节点区水平 截面面积 ， 可采用梁加腋的方法加以解决。 1 3 节点 区折算 强度 的验 算 试 验及工程 实践 表明 ，与框 架平面 相垂直 且与节 点相交的直交梁 ，对节点区的混凝土有很强的约束作 用， 可显著提高节点区混凝土的强度 ， 但如果直交梁与 柱面交界处有竖向裂缝 ，则此作用就要受到削弱。同 时 ， 四面有梁且有现浇楼板的中柱节点 ， 混凝土抗剪强 度比不带楼板的节点有所提高。当直交梁截面宽度不 小于柱宽1 2 t ,， 如果其截面高度不小于垂直方向框架 梁高度的3 4 ，在考虑了直交梁开裂等不利影响后 ， 节 点区的混凝土抗剪强度比不带直交梁及楼板时要提高 5 0 左右 。 试 验表 明 ， 对于三 面有梁 的边柱和 两面有梁 的角柱节点 ， 直交梁和楼板的约束作用较差或不明显 ； 为增强角柱节点及边柱节点的约束作用，可以把一侧 或两侧无直交梁处增设悬臂梁 ，以保证具有节点区四 面的约束来增强框架边柱或角柱混凝土的抗剪强度。 对于梁柱混凝土节点区不等强问题 ，国内外多年 来已在理论研究及工程实践 中做了大量卓有成效的工 作 ， 共同得到的结论是， 节点区的混凝土实际强度较所 浇筑的强度有不同程度的提高，有的国家还提出了验 算节点区混凝土所用折算强度的计算公式。美国混凝 土规范规定 ，对于柱四面具有截面高度近似相等的直 交梁，且柱混凝土强度大于1 4 倍梁板混凝土强度时， 可将节点区与梁板共同采用低强度的梁板混凝土同时 浇筑， 并以下式折算抗压强度进行验算 ： 厂 = O 3 ， T + 0 7 ( 1 ) 式中 厂 节点区混凝土的抗压折算强度 ； 厂 一梁板低强混凝土强度 ； 厂 柱高强混凝土强度。 例如框架柱混凝土的强度等级为C 6 0 ，梁板混凝 土的强度等级为C 3 0 ，则节点区混凝土的折算抗压强 度为 ： 厂 = 0 3 5 3 0 + 0 7 5 6 0 = 5 5 5 ( MP a ) 。 由计算 可知 可采 用 L C 3 0 提 高 五级 的C 5 5 级 混凝 土的折算抗压强度来验算节点的承载能力 。 加 拿 大规 范 同样有相 类似的规 定 ，当柱 的混 凝土 2 0 1 1 年 2月 邱玉深 ， 等： 框架节点不等强混凝土浇筑方法 的思考与建议 l 4 9 强度大于梁板 的混凝土强度时 ，节点区可采用梁板低 强度混凝土浇筑 ，并以下式所得折算抗压强度进行验 算 ： 中柱 = 1 o s f + 0 2 5 f ( 2 ) 边柱 f = 1 尸 ( 3 ) 角柱 厂 = - 厂 ( 4 ) 式中 厂 厂 意义同前。 如上述 中的框架柱混凝土强度等级为C 6 0 梁板 混 凝土 强度 等级 为 C 3 0 ，则 中柱 节点 区混 凝 土 的折 算 抗压强度为 厂 = 1 0 5 x 3 0 + 0 2 5 x 6 0 = 4 6 5 ( MP a ) 。 由计算可知 ， 可采用 L C 3 0 提高三级 的C 4 5 级混凝 土的折算抗压强度进行验算节点区的承载能力。 由公 式 ( 2 ) ( 3 ) 及公 式( 4 ) 可 见 ， 对 于柱 四 面具 有直 交梁的中柱 ， 节点区混凝土的折算抗压强度提高较大 ， 对于三面直交梁 的边柱可提高至梁 板低强混凝土的 1 4 倍 ， 而对 于 两面具 有直 交梁 的角柱 则提 高 不明显 。 工程 实践 表明 ，当柱 的混凝 土强度 为梁板 的 1 4 倍 以上时 ，按美国规范计算所得 的混凝土折算抗压强度 稍大于按加拿大规范的计算值 ， 一般认为 ， 当柱的混凝 土强度高于梁板1 4 倍时， 按加拿大规范计算偏于安全。 根据资料介绍 ， 当柱混凝土强度等级为C 6 0 、 而梁 板混凝土强度等级不小于C 3 0 或柱 为C 5 0 而梁板 不小 于C 2 5 1L ，框架节点区的混凝土皆可随梁板混凝土同 时浇筑 ；也有资料介绍 ，当框架柱混凝土强度等级为 C 6 0 以下 、 而梁板混凝土强度等级不小于C 3 0 H ， 梁 柱 节 点区 的混凝 土可 随梁 板 同时浇 筑 。 上述浇筑方法的前提是 ，框架节点区四面都有直 交梁的有效约束，使之节点区混凝土强度得以大幅度 提高 ，可 采用 比原梁 板低 强混凝 土 大幅度 提 高 的折 算 抗压强度对框架节点区的承载能力进行验算 并且还 认为， 当梁宽小于柱宽1 2 1， 应在梁端做成水平加腋 ， 以加强对梁柱节点区的约束。通过折算抗压强度的强 度验算如不能满足承载力的要求， 应进行强度补强。 不 论是 采 用附加 螺 旋 箍筋 、 梁 加 腋 、 加 密 箍 筋 ， 还 是框 架 节点 区的直 交梁 ，都是 对 节点 区混凝 土横 向变 形 的有 效约束， 使之节点区混凝土强度得以大幅度提高。 1 4我 国框 架 结构 节 点 区不 等 强 混 凝土 浇 筑 方 法 的 现 状 鉴 于我 国对框 架节 点 区不等 强混凝 土 浇筑方 法 的 有效研究和可靠的实践经验尚不完善 ，结构设计和施 工组 织者 对该 课 题 的知 识 掌握 的不足 及 欠 缺 者甚 多 ， 而 且又 有一些 设计 人员对 框架 节 点区不 等强 混凝 土 的 浇筑方法和施工过程并不关心，为此又很难通过有关 单 位共 同商议 而得 出有 效可 靠 的施 工方 案 ，因此大 都 惯用柱与梁的分界浇筑法。 该浇筑方法不但受力明确 而且风险较小 ， 但施工工序较多。 施工不便可表现为以 下 几点：一 是在 大量 使 用低 强度 等级 混凝 土 的 同时 尚 要准备少量高强度等级混凝土 对于泵送混凝土的准 备 、 运 输及 泵送 都 增加 了一 道不 可缺 少 的施 工过 程 - 是泵送 混 凝土 的坍 落度 及扩 展度 都很 大 流 动性 很大 的混凝土拌合物在界面分隔处很难隔挡 ，隔断用挡板 或钢 筋 网也很 难安 装； 三 是界面 处 是受 力 的薄 弱环 节 ， 位于梁的塑性铰区， 剪力和弯矩都较大。如此可见 ， 这 种常规分界浇筑法并不理想 ，然而 目前尚缺少普遍认 为可靠 又便 于施工 的方法 ， 施 工人 员无奈 只得接 受 ， 工 程 实践 中其他 方法 少见 ，偶见 采 用附加钢 筋 或型钢 补 强 也是凭 经验 设置 ， 并 不经理 论计算 ， 即使 经过 计算 也 只是根据个别资料提供 ，缺少足够的理论根据和可靠 的实践经 验 。 2 框架节点区不等强混凝 土浇筑方法 的建议 ( 1 )加强 节点 区约束 混凝 土的理论 研究 。舍 弃框 架节点区不等强混凝土的分界浇筑 ，采用梁板低强混 凝土 与梁 板 同时浇 筑的低 强浇 筑 ，无疑 是理 想而 又简 便 的施 工方 法 。 核 心是加 强节 点区对 混凝 土的约 束 ， 提 高节 点区 的混凝 土强度 ， 采 用约束 混凝 土 ， 为 此须加 强 节点 区约 束混凝 土 的理 论研 究 ，提 出适 用于 我 国具体 情况的折算受压强度的计算公式 ， 并纳入国家标准。 ( 2 )增加施工图内容及编制标准图集。结构设计 者应根据框架节点区不等强混凝土的浇筑方法 ，经折 算受压强度的验算后提出强度补强措施 ，绘制成图以 利施工 ， 其中应包括螺旋箍筋、 加密箍筋 、 附加钢筋或 型钢 的施工 节点大 样及其 梁加 腋节 点详 图 。 与此 同时 。 应根据不同情况编制标准 图集 ， 以供指导设计和施工。 参 考 文献 【 1 周立斌 混凝 土强度等级不 同的梁 柱节点处理 的几个 闻IN I I 建筑 技术 ， 2 0 0 3 ， ( 1 ) 2 】 刘汉中抗震结构 节点设计和 施工中 的几 个问题 J J 建 筑技 术 ， 1 9 9 9 ， ( 5 ) 【 3 】 孙彬 浅谈不 同强度 等级混凝 土粱柱 节点的施 工方法 J 】 混凝 土 ， 2 0 0 3 ， ( 6 ) 4 】 张潞 约 束混凝 土在不等强梁柱节 点施工中的应用【 J J ， 建筑技术开 发 ， 2 0 0 8 ， ( 1 2 ) 【 5 】 严建峰高层建筑梁 柱节点施 工中的 问题及 对策 叨建 筑技 术 ， 2 0 0 4， ( 1 1 ) 6 】 魏 春明 ， 赵星海 钢 筋混凝土结构施工缝处 理方法研 究【 J 】 混凝 土 ， 2 0 0 8 ， (7 ) 【 7 徐 善初 ， 王晓 梅， 等 ， 抗 震框架结构 节点设计与 施工中 的几个 问题 J 1 建筑技术 ， 2 0 0 2 ， ( 1 2 ) 8 】 李 永泉 钢筋混凝土框 架结 构梁柱节点处 的正确施 工方 法I J I 建 筑 工人 ， 2 0 0 8 ， ( 4 ) 【 9 程懋垄高 强度混凝土柱的梁柱节点处理方法【 J 1 建筑结构 ， 2 O O l ， ( 5 )