影响钢筋混凝土框架节点抗震性能因素

钢筋混凝土框架节点结构质量的施工方法和措施l=J摘要：为了解决目前钢筋混凝土框架结构节点在设计与施工中存在的钢筋排布、 连接、锚固以及由此引起的钢筋密集等问题，对框架柱传统施工缝的留设以及短 柱短梁等问题进行了思考并提出一些改进意见和建议。文章从建筑抗震的角度阐 述了节点结构在设计与施工中要注意解决的3个问题，分析了产生这些问题的 原因，并提出了一些有利于保证节点结构质量的施工方法和措施。该成果对节点 抗震设计与施工具有一定的参考价值和指导意义。关键词：框架结构；节点；抗震；设计与施工；措施The construction method and measure of joint structure quality for reinforced concrete frameAbstract:In order to solve existing at present in the design and construction of reinforced concrete frame joints reinforced arrangement, connection, anchor and reinforced the resulting dense problems, the traditional column frame construction joints design and short short column beam problems such as thinking and puts forward some opinions and suggestions for improvement. Article from the perspective of seismic design of buildings describes the node structure in the design and construction should pay attention to solve three problems, analyzes the causes of these problems, and puts forward the some to ensure the construction methods and measures for quality of joints. This result has certain reference value and guidance for the seismic design and construction of joints.Keywords： Frame structure; joint; seismic design; design and construction;measure1概述工程结构设计人员对建筑物的抗震设计比较重视，随着建筑工程技术不断地提 高，但钢筋混凝土框架的一些设计和施工仍有难题，如框架节点及相邻梁端和柱 端的钢筋排布连接锚固等问题短柱短梁；施工缝留设位置与柱最大受力部位是否 相符；钢筋过于密集对混凝土浇筑质量及钢筋与混凝土粘结强度的影响问题等， 一直没有得到很好地解决，以数不同程度地影响着结构节点等部位的抗震能力。 给工程结构抗震稳定性埋下质量隐患。因此，要加强和提高抗震结构节点处的设 计和施工质量。2节点处混凝土强度问题2.1节点处混凝土的强度问题在地震荷载作用下，框架柱的破坏主要发生在接 近节点处。对于框架结构，节点承受由梁柱传递来的轴力、弯矩、剪力的共同作 用，受力状态极其复杂，其破坏形态主要表现为剪切破坏，在强烈地震荷载用 下节点处核心区产生斜向X形裂缝，把节点核心区的混凝土分成若干混凝土块 体，大幅度降低节点区域的混凝土强度；当节点区剪压比较大时，箍筋未屈服 混凝土就剪、压酥碎而破坏，导致整个框架破坏。为此，必须采用构造配筋措施 来强化节点处的强度，达到强节点目标。根据建筑抗震设计规范要求：框支 梁、框支柱及抗震等级为一级的框架梁、柱、节点核心区，混凝土的强度等级不 应低于C30,构造柱、芯柱、圈梁及其他构件不应低于C20。从工程施工来看，节 点区域选用较高强度等级的混凝土也是必要的。施工规范要求在梁柱混凝土强度 等级差异较大时，应使节点混凝土强度等级与柱相同，这样处理对于结构抗震 也存在不利的因素，如果强调节点处的混凝土与柱相同，则必将在梁上、柱的侧 面留设垂直施工缝，而这些位置根据结构实际恰恰是剪切力最大的部位，施工 缝的留设是不符合规范要求的，也难以保证结构构件的施工质量。为便于施工通 常使梁板混凝土达到较高的强度等级，但加大了水泥用量，成本增加了。因此， 如果将墙柱、梁板的混凝土选择相同的强度等级，设计人员设计时应作认真核算 考虑，使其在工程结构上和经济上都合理。2.2节点混凝土振捣不密实的问题节点一般为梁柱交叉处，因此，节点处的纵横钢筋非常密集，梁的主筋受拉钢 筋几乎都弯曲锚入节点内，柱的主筋通过节点处也占一定位置，还要必须配置 加密箍筋。这个位置连绑扎钢筋都很困难，浇筑混凝土时下料和振捣是极其困难 的。在节点处混凝土浇筑时，虽然能引起施工人员的重视，但混凝土浇筑时因插 不进振捣棒而漏振或振不实，形成松散、蜂窝、孔洞的严重情况是存在的，不进 行破坏检查不易发现。2.3施工缝的存在影响节点混凝土强度施工缝一般是因为客观因素或技术因素，造成构件混凝土的浇筑不能连续进行， 浇筑间歇时间超过混凝土的初凝时间时，所造成新旧混凝土连接的薄弱部位。柱 的施工缝一般留在梁的下面，或吊车梁牛腿的下面，无梁楼盖柱帽的下面等； 剪力墙的施工缝一般留在楼板的上下表面处。由上所述，可看出节点处起着承启 下的作用，施工缝也经常留设在节点的上端或下部。此位置承受着较大的剪应力, 是整体结构的最薄弱环节。在每一层楼板上下表面处，形成两道施工缝的柱、暗 柱、暗梁及楼板就是框架结构及剪力墙结构中最薄弱的部位，因此如果施工不当, 对节点抗震发挥作用影响极大。施工规范要求在施工缝处继续浇筑混凝土时，应 待混凝土的抗压强度不小于1.2MPa方可进行；在施工缝处浇筑混凝土之前， 应除去施工缝表面的水泥薄膜、松动的石子和软弱的混凝土层，并加以充分湿润 和冲洗干净，不得积水。在浇筑混凝土前，施工缝处宜先铺水泥浆（水泥：水二1： 0.4）,厚度为10mm15mm,以保证接缝的质量。浇筑混凝土过程中，施工缝处 应细致捣实，使其紧密结合。3构造措施方面问题3.1框架结构抗震构造措施3.1.1框架梁梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%,且计入受压钢筋的梁端混凝土受压 区高度和有效高度之比，一级抗震不应大于0.25,二、三级抗震不应大于0.35。 梁端截面的底面和顶面纵向钢筋配筋量的比值，除按计算确定外，一级不小于 0.5,二、三级不小于0.3。在地震作用下，梁端塑性铰区纵向钢筋屈服的范围 一般可达1.5倍梁高左右。在梁端纵向钢筋屈服范围内，加密封闭式箍筋，可 以加强对节点核芯区混凝土的约束作用，提高塑性铰区内混凝土的极限应变值, 防止在塑性铰区内发生斜裂缝破坏，从而保证框架梁有足够的延性。同时还为纵 向受压钢筋提供侧向支撑，防止纵筋压曲。建筑抗震设计规范对梁端箍筋加 密区的范围和构造作了强制性规定（见表1）。梁端箍筋加密区长度、箍筋的最大间距和最小直径表1抗筏荐级M密区长度果用救大值）（UU11）踵前最大间冲采用最小值）（mm）箍筋最小宜段（nmi）% 500hb/4.包 1001011.汉 500hb/4 Sd, 100S三1.河 500卜4也150S四1.耻 500LESd. 1506注：当梁端纵向受拉钢筋配筋率大于2%时，表中箍筋最小值数值应增大2mm;d为纵向钢筋直径;hb为梁端截面高度。3.1.2框架柱框架柱和框支柱上下端箍筋应加密，加密区的箍筋最大间距和箍筋的最小直径 应符合表2规定。柱端加密区的构造要求表2抗修等勰箍筋最大间距（皿1）箍筋最小宜役（皿1）6d和100中的较小值108d和100中的较小值S三3d和15X柱根1。）中的较小甘8四甜和15（X柱根100）中的救小带6（呼根S）注:d为纵向钢筋直径；底层柱的柱根系指地下室的顶面或无地下室情况的基础 顶面。一般情况下，框架柱箍筋加密区长度，柱箍应取柱截面长边尺寸（或圆形截面直 径）、柱净高的1/6和500mm的最大值;柱根加密区长度应取不小于该层柱净高 的1/3;当有刚性地面时，除柱端箍加密区外尚应在刚性地面上、下各500mm的 高度范围内加密箍筋。3.1.3框架节点为使混凝土框架节点具有较高的核芯强度，抗震设计规范要求在框架节点的核 芯区必须加密钢筋，配筋量不应小于柱端加密区的实际配箍量，还要进行节点内 力分析，并采取相应的附加措施。为保证框架节点核芯区混凝土的抗剪承载力， 使框架梁、柱纵向钢筋有可靠的锚固条件，对节点核芯区混凝土应进行有效地约 束，节点区内配箍特征值久v，对于一、二、三级框架分别不小于0.12、0.10、0.08, 其箍筋体积配筋率分别不小于0.6%、0.5%和 0.4%。3.2抗震构造措施设计人员习惯于将楼层高处的抗震墙暗梁做得与墙一样宽，由此配筋设计时，较 少考虑到暗梁钢筋与墙中纵横钢筋及暗柱钢筋的相互关系，因此要加强抗震墙 中暗梁的配筋。抗震设计规范要求，暗梁外侧纵向钢筋端部必须弯折插入暗柱主 筋内侧，而实际施工较困难，通常是直接将暗梁纵向钢筋置于暗柱主筋内侧，这 就导致暗梁纵向钢筋间的净距不能达到规范要求。而且由于宽度较实际尺寸小， 箍筋也没有能紧密地箍牢暗梁的纵向钢筋，这将直接影响了构件的抗裂性能。由 于暗梁与墙同宽，墙中竖向钢筋与暗梁纵向钢筋相撞，施工图中将其置于梁两侧 筋的内侧。但在暗梁外侧纵向钢筋内移后，墙中竖向钢筋仍然置于暗梁钢筋内侧, 其结果不但使梅花形布置的拉筋失去作用，也降低了抗震墙强度。这样只得将 墙中竖向钢筋置于暗梁纵向钢筋外侧，暗梁一般与连梁设计在同一高度，而上下 端经常是留置水平施工缝的位置，承担水平施工缝的位置，形成竖向钢筋承担水 平施工缝处的全部剪力,属于水平和竖向钢筋加强区。如果在暗梁高度范围内竖 向钢筋失去水平钢筋的约束，易产生混凝土保护层的局部破坏。抗震墙竖向、横 向分布钢筋的配筋，应符合下列要求。一、二、三级抗震墙的竖向和横向分布 筋最小配筋率均不应小于0.25%;四级抗震墙不应小于0.2%;钢筋间距不应大于 300mm，直径不应小于8mm。抗震墙竖向和横向分布筋的直径不宜大于墙厚的1/10。抗震墙两端和洞口两侧 应设置边缘构件，并应符合下列要求：抗震墙结构和一、二级抗震墙底部加强部 位及相邻的上一层，应设置约束边缘构件，但墙肢底截面的轴压比较小时可设置 构造边缘构件。4钢筋锚固长度方面的问题4.1设计原因造成锚固长度不足混凝土中钢筋的锚固长度，主梁纵向钢筋要弯折插入节点区内，其受力状态比较 复杂，当钢筋的水平锚固长度lh比较小时，多会出现侧面鼓膨裂缝，使核芯区 混凝土斜向劈裂或压碎破坏；当钢筋弯曲后垂直段比较短时，常会出现垂直钢筋 （踢）胀破保护层而破坏。因此规范对节点区钢筋的最小锚固长度la或lae，钢筋 的水平锚固长度及垂直锚固长度都有明确的规定。在实施中，设计人员对最小钢 筋的锚固长度la或lae的取值较为重视，但容易忽视节点中受拉钢筋的lh，这样 将使受拉钢筋的锚固长度无可靠性保证，其主要原因在于la或lae取值时忽略 了梁柱的实际尺寸的影响。例如某多层框架结构，混凝土强度等级为C20,按抗 震规范取最小锚固长度lae=la=38d，在节点施工图中仅示意受拉钢筋的锚固位 置、弯折方向及锚固长度；其标准层节点为lae，顶层节点为1.2lae。实际上的柱 截面 bXh=350 X 350mm，梁截面 b Xh=250 X 350mm;在标准层 d=22mm，锚 固长度lae=la=38d=836mm，而实际水平长度lh=320mm0.45lae，必须采取附加 锚固措施。因此，在进行抗震结构设计时要注意解决好节点钢筋的锚固问题。梁、 柱节点构造是保证框结构整体空间受力性能的重要措施。现浇框架的梁、柱节点 应做成刚性节点。4.1.1框架梁纵向钢筋4.1.1.1上部纵向钢筋当采用直线锚固形式时，框架梁上部纵向钢筋伸入中间层端节点的锚固长度不 应小于la，且应伸过柱中心线不宜小于5d。当上部纵向钢筋在节点内水平锚固长 度不够时，应伸至节点对边并向下弯折，但弯折前的水平锚固长度（包括在弯弧 段在内）不应小于0.4la，弯折后的竖直锚固长度（包括在弯弧段在内）应取15d。 框架梁上部纵向钢筋应贯穿中间节点。4.1.1.2下部纵向钢筋框架梁下部纵向钢筋中中间节点处应满足下列锚固要求。当计算中不利用该钢 筋强度时，其伸入节点的锚固长度lae，带肋钢筋不应小于12d，光面钢筋不应小 于 15d。当计算中充分利用钢筋的抗拉强度时，下部纵向钢筋应锚固在节点内。此时， 可采用直线锚固形式，也可采用带90弯折的锚固形式，也可伸过节点范围并 在梁中弯矩较小处设置搭接接头。当计算中充分利用钢筋的抗压强度时，下部纵向钢筋应按受压钢筋锚固在中 间节点内。此时，其直线锚固长度不应小于0.7la;下部纵向钢筋也可伸过节点范 围并在梁中弯矩较小处设置搭接接头。框架梁下部纵向钢筋在端节点的锚固要求 与中间节点相同。4.1.2框架柱纵向钢筋顶层中间节点的柱纵向钢筋及顶层端节点的内侧柱纵向钢筋可用直线方式锚入 顶层节点，其自梁底标高算起的锚固长度不应小于la,且必须伸至柱顶。当顶层 节点处梁截面高度不足时，柱纵向钢筋应伸至柱顶并向节点内水平弯折。当充分 利用柱纵向钢筋的抗拉强度时，其锚固段弯折前的竖直投影长度不应小于0.5la， 弯折后的水平投影长度不应小于12d。框架柱的纵向钢筋应贯穿中间层中间节点, 柱纵向钢筋接头应设在节点区外。在搭接接头范围内，箍筋间距应不大于5d，且 不应大于100mm。4.1.3顶层端节点梁上部纵向钢筋和柱外侧纵向钢筋框架顶层端节点处的梁、柱端均主要受负弯矩作用，相当于一段90折梁。为了 保证梁、柱钢筋在节点区的搭接传力，应将柱外侧纵向钢筋的相应部分弯入梁内 作梁上部纵向钢筋使用，或将梁上部纵向钢筋与柱外侧纵向钢筋在顶层端节点 及其附近部位搭接，而不允许采用将柱钢筋伸至柱顶、将梁上部钢筋锚入节点的 做法。4.2施工缝处钢筋锚的问题施工规范对柱的施工缝留在上或上端有明确规定，其原则是将缝留在结构受力 最小且容易施工的部位。施工为方便柱身混凝土下料和振捣，常在梁内钢筋未绑 扎前先行浇筑柱混凝土，并将施工缝留在梁下，造成梁内节点上部钢筋不能伸入 柱内，使节点主梁受力钢筋锚固长度不够。在上例工程中，锚固长度 lae=la=38d=836mm，lh=320mm，lv=450mm，要满足此要求，则柱上端施工缝应留 在梁底以下150mm处。实际施工时一般按惯例在梁30mm50mm留槎，发现有 问题时将弯折钢筋垂直长度取为10d=220mm，l=540mm=24.5d，既不能达到最小 锚固长度la的要求，更不能满足抗震最小锚固长度lae的要求，明显削弱了结构 的抗震能力。5结论根据上述分析，对工程抗震结构节点处的设计要加强管理，要求设计人员要重视 工程抗震结构节点处的抗震设计，设计时要严格遵守节点抗震设计原则和抗震 设计规范，保证节点处的混凝土的强度，加强节点处构造措施的设计工作，保证 节点处钢筋的配置，以及节点处钢筋锚固长度的确定；同时加强工程抗震结构节 点处施工管理，严格按照施工图纸进行施工，编制科学合理的施工方案，按照规 范和操作程序严格施工，加强节点处工程质量的检查验收，对抗震节点处混凝土 的强度、构造措施、钢筋的直径、位置、品种、数量以及锚固长度等进行检查验 收，保证抗震节点处施工质量，提高工程结构的抗震性能。参考文献1 GB50011- 2001,建筑抗震设计规范S.北京：中国建筑工业出版社,2001.GB50300- 2001,建筑工程施工质量验收统一标准S.北京：中国建筑工业出 版社,2001.3 GB50010- 2002,混凝土结构设计规范S.北京：中国建筑工业出版社,2002.4 张小云.建筑抗震M.北京：高等教育出版社,2003.5 胡兴福.建筑结构M.北京：高等教育出版社,2005.6 过镇海.钢筋混凝土原理M.北京：清华大学出版社,1999.84