1、規(guī)范條文摘錄
在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2002)中,有關(guān)框架梁柱節(jié)點區(qū)混凝土的設(shè)計和澆注有以下的條文內(nèi)容及條文說明:
——當柱混凝土設(shè)計強度高于梁、樓板的設(shè)計強度時,應(yīng)對梁柱節(jié)點混凝土施工采取有效措施(第13.5.7條);
——高層建筑不同強度的梁、柱節(jié)點混凝土澆筑需要有關(guān)單位具體協(xié)商解決(條文說明);
——抗震設(shè)計時,一、二級框架的節(jié)點核心區(qū)應(yīng)按本規(guī)程附錄C進行抗震驗算;三、四級框架節(jié)點以及各抗震等級的頂層端節(jié)點核心區(qū),可不進行抗震驗算(第6.2.7條)。
——凡是梁柱節(jié)點之混凝土強度低于柱混凝土強度較多者,皆必須仔細驗算節(jié)點區(qū)的承載力,包括受剪、軸心受壓、偏心受壓等,并采取有效的構(gòu)造措施(條文說明)。
2、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工中的現(xiàn)實問題
2.1 為了滿足柱軸壓比的要求,同時又要控制柱截面不過大,柱子采用較高強度等級的混凝土是一種必然。而對于以受彎為主的樓層梁板,過高的混凝土強度等級卻是不需要且不適宜的,前者指對其抗彎承載力的貢獻不明顯,后者則指對構(gòu)件承受非荷載應(yīng)力(混凝土收縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力等)不利。正因如此,《高規(guī)》第6.1.9條才有“現(xiàn)澆框架梁的混凝土強度等級不宜高于C40”的規(guī)定,但實際工程設(shè)計中樓蓋合適的混凝土強度等級應(yīng)為C25~C35。由此可見,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的柱混凝土設(shè)計強度高于梁板的設(shè)計強度必然存在,而且隨著建筑物高度的增大,兩者的設(shè)計強度差距會越大,當然該區(qū)段主要存在于高層建筑的下部。
2.2 目前混凝土的澆筑施工幾乎都是采用商品混凝土泵送工藝,而且習(xí)慣于將豎向構(gòu)件與水平構(gòu)件分兩批集中澆注(即節(jié)點區(qū)采用樓蓋混凝土強度等級澆注)。如果要求其中的梁柱節(jié)點單獨澆注,則首先是其供應(yīng)量及澆注時間不易控制而會導(dǎo)致質(zhì)量事故,其次是節(jié)點區(qū)與梁板之間的分隔確實存在難度,故施工單位至少不希望大面積采用此方法。
3、受剪、受壓驗算規(guī)律
考慮到現(xiàn)場施工的操作程序,同時又要滿足規(guī)范中對節(jié)點核心區(qū)承載力的要求,我們列舉數(shù)例對典型節(jié)點區(qū)的受剪、軸心受壓、偏心受壓進行計算(其過程附后)。通過驗算可得出以下規(guī)律:
3.1 按《高規(guī)》附錄C進行受剪抗震驗算,即使柱梁混凝土強度等級相差20MPa,而節(jié)點區(qū)用樓蓋混凝土強度等級澆注,其節(jié)點核心區(qū)截面的受剪承載力仍可以滿足要求。
3.2 在偏心受壓驗算中,當梁板混凝土強度等級比柱低5MP a時,其受壓強度可以滿足要求;當兩者的混凝土強度等級相差10MPa及以上時,其受壓強度不滿足要求。
3.3 當梁板比柱的混凝土強度等級低10MPa及以上而仍用梁混凝土澆注節(jié)點區(qū),則對節(jié)點區(qū)必須采取措施。從偏心受壓公式N ≤ 0.9(fc A cor+f ’y A’s+2αfy A sso)中的3項抗壓數(shù)值來看,第1項即節(jié)點區(qū)截面混凝土抗壓強度是不可變更的;第3項即箍筋提供的抗壓強度所占的比例最小,且一般設(shè)計不可能改變節(jié)點區(qū)的配箍規(guī)格;第2項即節(jié)點區(qū)豎向鋼筋提供的抗壓強度所占比例較大,且若采用HRB400鋼(fy=360N/mm2)來增加節(jié)點區(qū)的豎向配筋率則可顯著提高其抗壓強度。
4、施工措施
考慮到梁柱節(jié)點區(qū)需要處理的都在高層建筑的下部,該區(qū)段的柱主筋配率一般接近或略大于1%,因此根據(jù)以上規(guī)律可將節(jié)點區(qū)的施工措施歸納如下:
4.1 當梁板與柱的混凝土強度等級僅相差5MPa時,節(jié)點區(qū)完全可以與樓蓋一起澆注;
4.2 當梁板比柱的混凝土強度等級分別低于10MPa和15MPa時,節(jié)點區(qū)需增設(shè)豎向短筋,其數(shù)量分別為柱主筋配筋量的50%和100%。
4.3 當梁板比柱的混凝土強度等級低20MPa及以上時,再靠增設(shè)節(jié)點區(qū)豎向短筋來提高其抗壓強度已不可行,其原因一是無法布筋,二是短筋數(shù)量太大。此時節(jié)點區(qū)需采用與柱同等級混凝土單獨澆注,雖然有一定的施工難度且需有較嚴密的施工組織措施,但所占的分量不很大,仍可以接受。
偏心受壓計算公式中沒有體現(xiàn)節(jié)點區(qū)各方向水平梁對其提高強度的影響,事實上該影響是存在且有效的,尤其中柱節(jié)點通常有兩向梁對其約束產(chǎn)生的效果較為顯著。正如抗剪驗算中考慮“正交梁的約束影響系數(shù)”一樣,同等條件下中柱的抗剪承載力是邊、角柱的1.3倍左右。上述施工措施雖未將中柱、邊柱、角柱加以區(qū)分,但事實上應(yīng)有所不同。筆者認為,上述施工措施可以針對邊柱和角柱節(jié)點區(qū)而言,如系中柱節(jié)點區(qū),則可將各條措施中梁柱混凝土強度等級的差異各提高5MPa。該結(jié)論的依據(jù)雖是定性而不是定量的,但從充分發(fā)掘中柱節(jié)點的抗壓潛力,并考慮現(xiàn)場施工方便性的角度而言,它是可行且科學(xué)的。綜上所述,節(jié)點區(qū)的施工措施可用表1簡示。
表1 節(jié)點區(qū)施工措施表
梁柱混凝土強度等級相差級別 邊柱、角柱節(jié)點 中柱節(jié)點
5MPa(一級) 不需特殊處理 不需特殊處理
10MPa(二級) 加插短筋(柱主筋數(shù)的50%)
15MPa(三級) 加插短筋(柱主筋數(shù)的100%) 加插短筋(柱主筋數(shù)的50%)
20MPa(四級) 需用柱混凝土強度等級澆注 加插短筋(柱主筋數(shù)的100%)
25MPa(五級) 需用柱混凝土強度等級澆注
(注)①柱主筋采用Ⅱ、Ⅲ級鋼筋,配筋率ρ≥1%;②加插短筋采用Ⅲ級鋼筋(fy=360N/mm2)。