鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點設計淺析

鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點設計淺析鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點設計淺析

摘要：鋼筋混凝土抗震框架梁柱節(jié)點是受力較為復雜的結構部位，針對梁柱節(jié)點在鋼筋混凝土框架中的重要性，本文結合我國現(xiàn)行抗震標準分析了提高梁柱節(jié)點抗彎承載力及抗剪承載力的有效途徑。

關鍵詞：鋼筋混凝土；框架；節(jié)點設計

中圖分類號：TU37文獻標識碼：A

鋼筋混凝土框架，由于其自身側向剛度較小，地震作用引起的側向位移較大，合理的抗震措施成為框架抗震性能實現(xiàn)的有利保證。

一、引言

汶川地震說明：“強柱弱梁〞是框架抗震設計中不容無視的重要內容，也是實現(xiàn)梁鉸屈服機制的重要結構措施。試驗研究說明，梁端屈服型框架有較大的內力重分布和能量消耗能力，極限層間位移大，抗震性能較好；柱端屈服型框架容易形成倒塌機制。

“強柱弱梁〞的根本概念就是在強烈地震作用下，結構發(fā)生大的水平位移進入非彈性階段時，為使框架仍有承受豎向荷載的能力而免于倒塌，要求塑性鉸首先在梁上形成，而防止在吸收地震能量較少的框架柱出現(xiàn)塑性鉸。對于超靜定框架，由于存在多余約束，當某一截面出現(xiàn)塑性鉸后，內力重分布，并不會立即導致結構的破壞。但是塑性鉸出現(xiàn)在框架柱上比出現(xiàn)在框架梁上有更嚴重的后果。因為框架柱出現(xiàn)塑性鉸，隨之而來的是產生大的層間位移，導致建筑物的永久偏斜，接著會引起失穩(wěn)。比擬好的方法是出現(xiàn)梁鉸。

框架只能在自身平面內抵抗側向力，必須在兩個正交的主軸方向設置框架，以抵抗各個方向的側向力?？蚣苤土狠S線宜重合，不宜偏心。當梁柱中先不能重合時，應考慮偏心對梁柱節(jié)點核芯區(qū)和框架柱受力的不利影響，梁寬度不滿足要求時，應采取加腋措施至滿足?高規(guī)?第6.1.7條的要求。

梁柱節(jié)點將框架梁和框架柱連接在一起，是框架的重要組成局部。就節(jié)點而言，那么要求在地震作用時豎向荷載下鄰近節(jié)點的柱端抗彎強度必須大于梁的抗彎強度。寧可發(fā)生鋼筋受彎屈服破壞，而不允許產生混凝土壓碎、剪切破壞和錨固破壞。因此對節(jié)點核芯區(qū)混凝土要求有足夠的約束和配置足夠的抗剪鋼筋，即使保護層剝落時仍能保持傳遞豎向荷載和水平剪力。

二、下面分別從抗彎承載力、抗剪承載力和抗壓強度三方面進行討論

1.框架節(jié)點區(qū)抗彎承載力

主要是指鄰近節(jié)點核芯區(qū)的柱端和梁端截面如何實現(xiàn)“強柱弱梁〞的要求。“強柱弱梁〞的具體含義是：任何一個框架梁柱節(jié)點，在最不利的設計軸力作用下，鄰近節(jié)點上下的柱端的抗彎能力之和必須大于同一平面內各梁所承當的極限抗彎能力之和。梁柱節(jié)點的抗震設計應滿足節(jié)點處柱端實際受彎承載力和梁端實際受彎承載力應滿足以下不等式：。

?抗震標準?第6.2.2條規(guī)定：一、二、三、四級框架的梁柱節(jié)點處，除框架頂層和柱軸壓力小于0.15者及框支梁與框支柱的節(jié)點外，柱端組合彎矩設計值應符合下式要求：；一級框架結構和9度的一級框架可不符合上式要求，但應符合下式要求：。

1〕影響“強柱弱梁〞的主要因素：

梁端負彎矩

由上圖可以看出，梁端負彎矩是影響“強柱弱梁〞的重要因素，梁端負彎矩越大，那么對框架柱的要求越高；因此，適當降低梁端負彎矩數值，對“強柱弱梁〞的實現(xiàn)具有積極的意義。

梁端正彎矩

由上圖還可以發(fā)現(xiàn)，在強柱弱梁驗算中，梁端正彎矩與節(jié)點相對應的梁端負彎矩組成強柱弱梁驗算的梁端力偶，合理取用梁端正彎矩數值，同樣對強柱弱梁的實現(xiàn)具重要意義。

梁端實配鋼筋面積

梁端實配鋼筋面積直接影響梁端受彎承載力，合理控制梁端實配鋼筋與計算鋼筋的比例關系，對強柱弱梁的實現(xiàn)意義重大。

2〕結構設計建議

抗震設計的結構應盡量考慮框架梁的塑性內力重分布，采用柱邊緣截面處的梁端內力設計值。

構件的裂縫寬度驗算中，宜采用考慮塑性內力重分布的分析方法，采用柱邊緣截面處的梁端內力設計值，確保構件的裂縫寬度驗算不致給強柱弱梁驗算增加新的負擔。同時，建議按梁的凈跨單元驗算框架梁梁端的裂縫寬度。

正確區(qū)分框架梁梁中截面配筋要求與框架梁端部截面梁底配筋的不同概念，控制梁端下部實際配筋數量與強柱弱梁計算中梁底配筋的計算值不致相差太大。

嚴格控制梁端實配鋼筋，對梁端負彎矩鋼筋不應超配，對梁端正彎矩鋼筋應控制超配比例。

在進行梁的配筋設計及梁端裂縫驗算時，應考慮梁端實配受壓鋼筋的作用，以適當減小梁頂配筋，有利“強柱弱梁〞的實現(xiàn)。

2.框架節(jié)點核芯區(qū)抗剪承載力

框架節(jié)點在強烈地震作用下，往往發(fā)生節(jié)點核芯區(qū)剪切破壞。其原因是梁柱節(jié)點核芯區(qū)承受很大的剪力?？紤]到框架節(jié)點的“強剪弱彎〞，梁柱節(jié)點核芯區(qū)的受剪承載力應大于梁的彎曲屈服超強引起的剪力。

核芯區(qū)截面抗震驗算方法應符合?抗震標準?附錄D的規(guī)定，由公式可知：影響框架梁柱節(jié)點核芯區(qū)抗剪承載力的主要因素是節(jié)點核芯區(qū)有效驗算寬度及正交梁的約束影響系數，而、均與梁柱截面的寬度比值有關。結構設計中應采取提高、的有效措施。

1〕提高框架梁柱節(jié)點核芯區(qū)抗剪承載力的途徑很多，但主要的是加大框架梁對梁柱節(jié)點的約束，可直接加大框架梁的截面寬度或在框架梁的端部設置水平加腋。

2〕當梁柱節(jié)點核芯區(qū)的實際抗剪承載力與標準要求相差不多，且框架梁寬略小于1/2框架梁的截面寬度時，可結合工程實際情況適當加大框架梁的截面寬度，以滿足標準對框架梁柱節(jié)點核芯區(qū)的抗震承載力驗算要求。

3〕當梁柱節(jié)點核芯區(qū)的實際抗剪承載力與標準要求相差鉸多，且框架梁寬遠小于1/2框架梁的截面寬度時，可結合工程實際情況，在框架梁端部設置水平加腋，以加大框架梁對梁柱節(jié)點的約束，以滿足標準對框架梁柱節(jié)點核芯區(qū)的抗震承載力驗算要求。

當柱混凝土強度等級比梁高較多時，且梁柱節(jié)點核芯區(qū)混凝土強度等級隨梁板時，可根據工程具體情況，采取綜合措施，整體加大梁柱節(jié)點區(qū)域，既提高框架梁柱節(jié)點核芯區(qū)抗剪承載力，又可滿足節(jié)點區(qū)采用低強度等級的驗算問題。

3.框架節(jié)點區(qū)抗壓強度

梁柱節(jié)點作為框架柱的一局部應能傳遞上面框架柱的軸向壓力。為了使框架柱與梁柱節(jié)點有較好的延性與足夠的抗壓強度，除應適當限制節(jié)點中軸向壓應力的數值外，并要求對節(jié)點核芯區(qū)混凝土在水平方向進行適當的約束。這種約束可由框架柱的縱向鋼筋和節(jié)點四周的梁來提供，或在核芯區(qū)內配備必要的橫向鋼筋，形成所謂“約束混凝土〞。

在鋼筋混凝土構件中，可以通過設置密排螺旋筋或與應力方向相垂直的封閉箍筋，即可認為是“約束混凝土〞。這些橫向鋼筋在一開始是沒有應力的，此時混凝土根本上不受約束，只是在混凝土應力接近其極限強度時，混凝土內部裂縫引起體積膨脹使螺旋筋或箍筋受拉，反過來，螺旋筋或箍筋就約束了混凝土。當約束起作用時，那些未受約束的混凝土保護層會剝落，但是受約束的核芯區(qū)所增加的強度將能彌補由于保護層剝落而產生的強度損失。

框架節(jié)點核芯區(qū)的抗震構造措施尚應符合?抗震標準?第6.3.10條規(guī)定：框架節(jié)點核芯區(qū)箍筋的最大間距和最小間距宜按?抗震標準?第6.3.7條采用，一、二、三級框架節(jié)點核芯區(qū)配箍特征值分別不宜小于0.12、0.10和0.08，且體積配箍率分別不宜小于0.6%、0.5%和0.4%。柱剪跨比不大于2的框架節(jié)點核芯區(qū)，體積配箍率不宜小于核芯區(qū)上、下柱端的較大體積配箍率。

三、結語

通過以上對梁柱節(jié)點的強度要求的分析，抗震設計要求弱梁、強柱、節(jié)點更強，可見節(jié)點設計的重要性。在對梁柱節(jié)點及與節(jié)點相連接的結構受力構件的抗震性能應進行充分的分析，并加強其構造措施，以提高梁柱節(jié)點在地震作用下的承載力和延性。通過抗震概念設計使鋼筋混凝土框架成為延性耗能框架。