框架节点区采用不同强度等级混凝土的处理方法

[摘要]高层建筑结构框架柱因受较大的竖向荷载作用,混凝土强度等级相对框架梁高出几个5MPa的强度等级。通过介绍相关研究数据的结果,在遵循抗震设计中“强节点弱构件”的原则,和保证结构节点安全合理的前提下,提出如何解决框架节点区采用不同强度等级混凝土时,所带来的一系列设计和施工的问题。

[关键词]框架梁柱节点 商品泵送混凝土 表现强度 施工 混凝土强度等级 强节点弱构件

中图分类号:TU7文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0910091-01

从建筑布置看,与框架柱高对应的是层高,与框架梁跨对应的是开间;从从结构受力看,框架柱是压弯构件,框架梁是弯剪构件;所以在高层建筑物中,由于柱是主要的抗侧力构件,柱的截面往往大于梁的截面,底层柱因承受的弯矩大而处于受力不利状态。对于高层建筑结构来说,为保证建筑有尽可能大的使用空间,在保证结构设计经济、安全可靠的前提下,可对柱截面进行一定程度的“瘦身”,依靠提高框架柱的混凝土强度等级来缩小框架柱的截面尺寸。对于现阶段的柱子混凝土强度等级,常用的为C20-C40,事实上随着当前技术的成熟,已逐步采用到C50、C60乃至更高等级。而水平受弯构件如梁、板,要达到缩小截面的目的,主要还是靠提高梁、板钢筋的强度等级,混凝土强度等级的高低对其截面尺寸及配筋率影响很小,故常规的水平受弯构件梁板考虑到因高强度混凝土的易收缩及对裂缝的控制,其混凝土强度等级一般不宜太高,常用的有C20-C30,《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002中第13.5.7条也有规定:当柱混凝土设计强度高于梁、楼板的设计强度时,应对梁柱节点混凝土施工采取有效措施。并没有梁柱混凝土强度等级相差允许值的规定。

现浇框架梁的混凝土强度等级,当抗震等级为一级时,不应低于C30,当抗震等级为二、三、四及非抗震设计时,不应低于处C20。且梁的混凝土强度等级不宜大于C40。在工程设计过程中,为满足框架柱轴压比,其混凝土强度等级远比框架梁的混凝土强度等级高,而与此同时,在施工过程中,尤其是考虑到现代工程商品泵送混凝土在施工现场的大规模运用,为保证施工现场的泵送商品混凝土在浇筑竖向水平构件时的施工方便,易于操作,又保证混凝土质量,框架柱的混凝土强度等级与梁的混凝土强度等级不同时,节点混凝土应该如何处理呢?为了保证“柱的强度大于梁”,“节点的强度大于构件”(前者为了避免柱的破坏先于梁的破坏,导致框架结构形成可变体系丧失整体稳定;后者为了避免梁柱节点破坏先于其连接的构件,保证结构的整体性的原则)。普遍的结构工程师往往希望节点的混凝土强度等级应选择同较高的构件。那在方便施工,易于操作又保证混凝土质量的情况下,是否可以对框架楼盖及梁柱节点采用较低的梁板混凝土等级统一浇筑呢?首先,我们先了解一下框架节点区“表现强度”的概念。

一、框架节点区采用楼盖混凝土强度等级的“表现强度”

有理论研究和结构试验证明:梁柱节点区若采用楼盖的混凝土强度等级后,由于框架柱上下端对梁柱节点区域产生竖直方向的约束,而交于节点区处的框架梁及楼板对节点产生水平方向的约束,以及梁柱节点区域内封闭箍筋对混凝土产生的环向约束,从而使得节点区最后体现出“表现强度”比原浇筑的混凝土强度高出许多,有的已接近甚至超过竖向框架柱构件的混凝土强度等级。若考虑框架梁柱节点区“表现强度”计算公式的几项节点区约束条件的共同作用,在一定程度上可以解决“是否可以对框架楼盖及梁柱节点采用较低的梁板混凝土等级统一浇筑?”的问题。

二、框架梁柱节点混凝土表现强度的计算公式

框架梁柱节点混凝土变现强度的计算公式:fcu=⊿1+⊿2+⊿3+⊿4

式中:⊿1—楼盖(梁板)混凝土原有的立方体抗压强度标准值;⊿2—上下柱段对楼盖混凝土的约束作用;⊿3—荷载扩散对楼盖混凝土的影响;⊿4—楼盖穿过柱体的水平钢筋及节点环形箍筋对混凝土的约束作用。

对于框架混凝土中柱:fcu=⊿1+⊿2+⊿3+⊿4;对于框架混凝土边柱:fcu=⊿1+⊿2+⊿4;对于框架混凝土角柱:fcu=⊿1+⊿2;

根据以上公式可知:在相同的设计条件下,同一楼层的节点区“表现强度”由大到小依次为:中柱、边柱、角柱,其中边柱的fcu是中柱和角柱的平均值,边柱的fcu是中柱的0.9倍左右,角柱的fcu是中柱的0.8倍左右。因此,为了使同一楼层的边柱和角柱的节点区域的“表现强度”都能满足设计要求,设计时要保证边柱和角柱的轴压比低于中柱(如中柱轴压比Nu=0.8,则边柱的Nu=0.8X0.9+0.72,角柱Nu=0.8X0.8=0.64),否则要增加梁柱节点区混凝土“表现强度”的验算工作量。

为此,研究者还作了大量的工作,并根据不同的梁柱混凝土强度等级算出的梁柱节点强度值,计算结果表明:

1.当竖向构件的混凝土强度等级与水平构件相差15MPa甚至20MPa时,节点区域可以考虑采用水平构件(楼盖)混凝土强度等级浇筑;2.当竖向构件的混凝土强度等级较高时,相应的楼盖混凝土强度应取较高值,比如:竖向构件混凝土为C50-C60范围时,楼盖混凝土强度应选用C30或C30以上;3.当竖向构件的混凝土强度等级不太高时,其相应的楼盖混凝土强度等级不必取高值,比如:竖向构件混凝土为C40,则楼盖混凝土可取C25甚至C20,而不必取C30。

故当梁柱节点混凝土强度比柱低30%-40%时,能满足梁柱节点同柱混凝土强度的要求。以上在设计时便应将框架梁柱节点验算确定,在一定程度上保证施工现场的泵送商品混凝土在浇筑竖向水平构件时的施工方便,既易于操作,又保证混凝土质量。

若因设计及实际需要,梁柱混凝土强度等级差异40%以上时,施工过程中应先浇灌梁柱节点高等级的混凝土,并在梁上留约45°左右的坡槎,而后再浇筑低强度等级的混凝土。浇筑方式如图1:

参考文献:

[1]GB50011-2001建筑抗震设计规范(2009版),北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2]JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程,北京:中国建筑工业出版社,2002.

[3]赵志缙、应惠清,建筑施工,同济大学出版社,1998.

[4]徐帆,建筑施工手册,钢筋混凝土工程(第三版),北京:中国建筑工业出版社,1997.

[5]张元坤、李胜勇,建筑结构设计实用指南,广州:广东省土木建筑学会建筑结构学术委员会,2001.

[6]罗福午、张惠英、杨军,建筑结构概念设计及案例,北京:清华大学出版社.

作者简介:

秦峻英(1981-),2003年7月毕业于广西大学土木工程专业,现为桂林市建筑设计研究院助理工程师。