1、規范條文摘錄
在《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002)中,有關框架梁柱節點區混凝土的設計和澆注有以下的條文內容及條文說明:
——當柱混凝土設計強度高于梁、樓板的設計強度時,應對梁柱節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、柱節點混凝土澆筑需要有關單位具體協商解決(條文說明);
——抗震設計時,一、二級框架的節點核心區應按本規程附錄C進行抗震驗算;三、四級框架節點以及各抗震等級的頂層端節點核心區,可不進行抗震驗算(第6.2.7條)。
——凡是梁柱節點之混凝土強度低于柱混凝土強度較多者,皆必須仔細驗算節點區的承載力,包括受剪、軸心受壓、偏心受壓等,并采取有效的構造措施(條文說明)。
2、高層建筑混凝土結構設計和施工中的現實問題
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,后者則指對構件承受非荷載應力(混凝土收縮應力、溫度應力等)不利。正因如此,《高規》第6.1.9條才有“現澆框架梁的混凝土強度等級不宜高于C40”的規定,但實際工程設計中樓蓋合適的混凝土強度等級應為C25~C35。由此可見,高層建筑混凝土結構的柱混凝土設計強度高于梁板的設計強度必然存在,而且隨著建筑物高度的增大,兩者的設計強度差距會越大,當然該區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,而且習慣于將豎向構件與水平構件分兩批集中澆注(即節點區采用樓蓋混凝土強度等級澆注)。如果要求其中的梁柱節點單獨澆注,則首先是其供應量及澆注時間不易控制而會導致質量事故,其次是節點區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、受壓驗算規律
考慮到現場施工的操作程序,同時又要滿足規范中對節點核心區承載力的要求,我們列舉數例對典型節點區的受剪、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律:
3.1 按《高規》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,而節點區用樓蓋混凝土強度等級澆注,其節點核心區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點區,則對節點區必須采取措施。從偏心受壓公式N ≤ 0.9(fc A cor+f ’y A’s+2αfy A sso)中的3項抗壓數值來看,第1項即節點區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,且一般設計不可能改變節點區的配箍規格;第2項即節點區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)來增加節點區的豎向配筋率則可顯著提高其抗壓強度。
4、施工措施
考慮到梁柱節點區需要處理的都在高層建筑的下部,該區段的柱主筋配率一般接近或略大于1%,因此根據以上規律可將節點區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,節點區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,節點區需增設豎向短筋,其數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,再靠增設節點區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,二是短筋數量太大。此時節點區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節點區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,尤其中柱節點通常有兩向梁對其約束產生的效果較為顯著。正如抗剪驗算中考慮“正交梁的約束影響系數”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、角柱加以區分,但事實上應有所不同。筆者認為,上述施工措施可以針對邊柱和角柱節點區而言,如系中柱節點區,則可將各條措施中梁柱混凝土強度等級的差異各提高5MPa。該結論的依據雖是定性而不是定量的,但從充分發掘中柱節點的抗壓潛力,并考慮現場施工方便性的角度而言,它是可行且科學的。綜上所述,節點區的施工措施可用表1簡示。
表1 節點區施工措施表
梁柱混凝土強度等級相差級別 邊柱、角柱節點 中柱節點
5MPa(一級) 不需特殊處理 不需特殊處理
10MPa(二級) 加插短筋(柱主筋數的50%)
15MPa(三級) 加插短筋(柱主筋數的100%) 加插短筋(柱主筋數的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)。