对钢筋混凝土框架节点抗震设计的讨论

史华燕任晓崧

（同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092）

对钢筋混凝土框架节点抗震设计的讨论

史华燕*任晓崧

（同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092）

强节点弱构件是重要的抗震设计原则，对于实现框架结构大震不倒的抗震设防目标意义重大。回顾了各版规范与节点抗震设计相关的内容，利用不同时期建造的钢筋混凝土框架结构进行节点承载力比较分析，说明了节点抗震设计的特点。对于已有框架节点的抗震加固，建议优先选用八角形截面的加大截面处理方法。

钢混凝土框架，框架节点，强节点弱构件，抗剪承载力

1 引言

梁、柱是钢筋混凝土框架的主要受力构件，节点是框架梁柱相交的公共区域，是框架梁、柱传递荷载的枢纽，节点区域的示意图见图1，若节点失效意味着与之相连的梁、柱将同时失效。因而，在《建筑抗震设计规范》中“强节点”是重要的设计准则，有三个方面的含义：一是节点承载力（主要指受剪承载力）应大于其连接的构件承载力；二是梁柱纵筋在节点区要有可靠的锚固；三是节点的设计不应使施工困难。

在竖向荷载作用下，梁端承担负弯矩和竖向剪力，属于竖向剪力较大的部位，柱端弯矩和剪力是由梁端弯矩引起的，对于中柱而言，因两侧梁端弯矩相差不大导致的柱端弯矩和剪力并不明显；在地震作用下，柱端将承担较大的弯矩和水平剪力，属于水平剪力较大的部位，因柱端弯矩引起梁端两端的弯矩和剪力反向，梁端弯矩和剪力与竖向荷载作用下的梁端弯矩和剪力同向或反向，在地震作用和竖向作用下框架的弯矩如图2所示。因而，地震作用将导致梁端、柱端的内力，尤其是所受剪力的增加，需要提高其受剪承载力。

图1 梁柱节点区域示意图Fig.1 The joint of reinforced concrete frame

图2 框架的弯矩图Fig.2 Moment of the frame

与梁端、柱端相似，节点也是剪力较大的部位。在地震作用下，节点主要承受水平剪力和压力，其剪力来源于梁柱纵向钢筋的屈服甚至是超强，对于强柱型节点，水平剪力主要来自框架梁，也包括一部分现浇板的作用［1］。由梁两端的反号弯矩引起的节点核芯区很大的剪力，使核芯区混凝土处于剪压复合应力状态，如图3所示。

图3 节点受力状态Fig.3 The status of the joint

尽管现行设计软件均涉及节点抗震验算内容，在实际工作中一般多关注梁、柱端的抗震抗剪验算，较少涉及节点抗震验算，本文对现行设计规范中关于节点抗震验算内容进行讨论。

2 节点区域抗震设计的历史沿革

对于梁、柱端的抗震设计，《建筑抗震设计规范》各种版本都有规定，主要包括受剪承载力的验算、剪压比的控制验算和箍筋加密等构造措施等，其中构件的剪力设计值根据不利的荷载布置及工况组合进行结构分析得到，构件受剪承载力一般包括混凝土部分、箍筋部分和轴压力部分等。这里以剪跨比大于2的矩形柱为例，现行规范考虑地震组合的柱端受剪承载力的验算和剪压比验算的表达式如下：

式中 λ——框架柱、框支柱的计算剪跨比，当λ＜1.0时，取1.0，当λ＞3.0时，取3.0；

ft——混凝土抗拉强度设计值；

fc——混凝土抗压强度设计值；

Asv——同一截面内箍筋各肢的全部截面

面积；

s——箍筋间距；

N——考虑地震组合的框架柱、框支柱轴向压力设计值，当N＞0.3fcA时，取

0.3 fcA；

h0——截面有效高度；rRE——抗震调整系数。

节点的抗震设计在较早的版本中只涉及了箍筋的构造措施，一般按照柱端的要求设置。1989年版本的抗震规范［2］在正式提出了结构的抗震等级的同时也首次提出了节点核心区组合的剪力设计值计算公式和节点抗震受剪承载力计算公式，框架抗震等级按照结构形式、结构高度、结构所在地区的烈度划分为四级，规定一、二级框架必须验算节点承载力，三、四级框架必须满足构造措施。之后2001年和2010年的版本［3，4］分别对节点承载力公式进行改进，将三级框架节点核心区也纳入验算范围，再次提高了节点构造措施的要求。关于节点抗剪验算的具体内容将在下节讨论。

这里例举了笔者在已有建筑改扩建工程中所遇到的4个不同年代的框架结构，说明节点区域的历史沿革。

图4为20世纪30年代建造的某厂房，原建筑为3层框架式结构，采用英制单位，建筑总高度17.02 m，轴线尺寸为65 m×100 m，柱网尺寸约为5m×6m，柱截面为381mm×508mm、558mm ×558 mm、432 mm×432 mm等，柱箍筋为10 mm和8 mm等，箍筋间距为127 mm和152.4 mm。查阅现存图纸，柱端箍筋加密长度为100 mm，梁端箍筋分两部分加密，间距分别为101.6 mm和152.4 mm，梁端采用弯筋，梁顶面未配置通长筋，梁端配筋相对比较复杂，可见主要是根据竖向荷载作用下的内力进行配筋的，并没有考虑抗震要求。

图4 30年代厂房梁端构造和平面布置图Fig.4 The joint and layout of a workshop built in 1930’s

图5 是20世纪50年代某办公楼，平面呈L形，原使用性质为办公建筑，1层装配框架式结构，采用英制单位。建筑总高度4.5 m，轴线尺寸25.6 m×38 m，柱距为6.7 m，柱截面为381 mm ×381 mm，柱箍筋为8 mm。查阅现存图纸，部分梁端箍筋适当加密，柱箍筋未加密，梁端采用弯起筋，即也未考虑抗震要求。这个工程与前面的工程类似，其梁端的箍筋加密区基本一致。

图5 50年代办公楼梁端节点构造Fig.5 The joint of an office building built in 1950’s

图6 为20世纪80年代建造的上海某办公楼，设计时无抗震设防要求，原使用性质为办公建筑，3层框架式结构，总高10.15 m，楼板为预制板，平面外包尺寸31.44 m×24.24 m，柱网尺寸7.8 m×4 m，柱截面300 mm×300 mm，柱箍筋6 mm。柱端1／5层高范围内箍筋加密，梁端适当加密，尚设弯起筋，配筋归一化，可见形成了明显的节点区域，图纸未标明节点区箍筋配置情况，现场抽样检测发现箍筋配置同柱端。

图6 80年代办公楼节点构造及平面布置图Fig.6 The joint and layout of an building built in 1980’s

图7 为20世纪90年代上海某办公楼加层项目，该建筑原为一层钢筋混凝土框架式结构，层高3.96 m，加高层数为1层，总高度为7.66 m，原使用性质为办公建筑，设计时考虑了抗震要求，轴线尺寸32 m×9.75 m，柱网尺寸4.625 m×9.75 m，柱截面250 mm×350 mm，柱箍筋为8 mm。梁端在1／8跨度范围内箍筋加密，柱端在1／3层高的范围内箍筋加密，不采用弯起筋，这个工程也有明显的节点核心区，节点内部箍筋配置与柱端相同。

图7 90年代办公楼节点构造及平面布置图Fig.7 The joint and layout of an building built in 1990’s

从这4个工程可见节点区域的历史沿革，早期以梁端弯起钢筋抗剪为主，端部无箍筋加密，主要是考虑竖向荷载的影响，并未考虑抗震设计的要求，而后发展到以箍筋抗剪为主和梁柱端箍筋加密，即已考虑了抗震设计的要求，再发展到设置单独的节点核心区，节点抗剪一般沿用柱端的配箍情况。

这4个工程均在2010版抗震规范颁布前进行改扩建，必须考虑结构抗震加固。前3个工程在原设计时均未考虑抗震设计，抗震能力不足，通过验算发现其梁端满足剪压比要求，部分柱端剪压比未满足要求且其抗剪承载力不足，第4个工程其柱端、梁端尽管满足剪压比验算要求，也进行过抗震设计，但其柱端梁端抗剪承载力和箍筋构造不满足现行规范的要求。根据《混凝土结构加固技术规程》对4个工程均采用外粘U形箍和外包角钢的加固方法，如图8所示，可见节点的形态复杂，梁、柱端部加固用黏贴箍板都无法延伸到节点处。

图8 梁外粘U形箍、柱外包角钢加固Fig.8 Retrofit by U shape steel plate and angle iron

3 节点抗剪验算的具体规定

现行设计规范对于节点抗剪验算包括承载力和剪压比等，与柱端的验算基本内容相似，具体规定如下：

式中 ηj——正交梁的约束影响系数；楼板为现浇、梁柱中线重合、四侧各梁截面宽度不小于该侧柱截面宽度的1／2，且正交方向梁高度不小于框架梁高度的3／4时，可采用1.5，9度的一级宜采用1.25；其他情况均可采用1.0；bj——节点核芯区的截面验算宽度；bc——验算方向的柱截面宽度；

hj——节点核芯区的截面高度，可采用验

算方向的柱截面高度；

hb0——梁截面有效高度，节点两侧梁截面

高度不等时可采用平均值；

a′s——梁受压钢筋合力点至受压边缘的距离。

式（3）、式（4）与式（1）、式（2）相似，即节点的抗震验算表达式与柱端表达式相似。现行的抗震设计规范对节点承载力验算公式作了一些改进，包括限定了正交梁影响、采用了混凝土轴心抗拉强度设计值和适当减少了轴压比的影响等［5，6］，其中箍筋部分的承载力部分基本维持原算法，总体而言变化相对不大；节点剪压比的计算和柱端、梁端的计算方法类似，考虑了正交梁的有利影响。

对于节点剪力的设计值，规范规定如下：

一般情况下，梁端弯矩取设计值，但应乘以强节点系数。对于9度时其取值应为梁端按实际配筋求出的抗弯承载力。

式（5）右半部分的两项分别表示由梁端弯矩引起的虚拟柱端剪力Vc′和柱子剪力Vc（图9），即得到的节点剪力为虚拟节点剪力，并非真实的节点剪力。

图9 节点剪力的设计值Fig.9 Design value of joint shear

在计算假定中，没有考虑梁端竖向剪力所抵消的梁端弯矩，可能会导致节点剪力偏大。如果以梁高为层高的1／5考虑，并假设竖向重力荷载下梁端弯矩的平衡，节点剪力的计算数值可能达到柱端剪力的5倍，明显不合理，所导致的问题是剪压比与承载力方面的要求在名义上有所放松，实际上更为严格。这里以上面所述80年代和90年代办公楼框架为例加以说明。

表1 框架节点和柱端剪力Table 1 The shear force and capacity of joint and column

4 箍筋对节点受剪承载力的影响

从式（3）可见，节点的受剪承载力包括混凝土部分、箍筋部分和轴压力部分等，其中节点竖向轴压力的影响相对较小，混凝土部分的承载力因剪压比限制所占部分变化不大，即在柱端剪力能够满足要求的情况下，要增加节点的受剪承载力只能依靠增加箍筋配置量来解决，且箍筋对节点承载力的贡献比较大。但增加箍筋量可能会增加施工的困难，这和强节点原则的第三个要求不一致。

这里以上面所述4个工程为例加以说明。

80年代、90年代的办公楼的部分框架节点和柱端抗剪承载力明显不足。其节点不足的原因主要是抗震等级为三级，当时没有被纳入节点核心区的验算范围，只进行了构造措施的加强。柱端加固采用外包角钢及钢板的方法，即增加“箍筋”以提高抗剪承载力。但该方法正如前文所述无法涉及节点。30年代的厂房和50年代的办公楼是装配式结构，且年代较早，当时并无抗震规范可循，其梁柱构件连接处是加固重点。由于有预制楼板的阻碍和钢筋锚固的要求使节点的加固更加复杂。梁一般用粘贴高强度碳纤维布或U形箍来增加梁的配箍率，此种方法也无法涉及节点。

若仅仅增加节点的箍筋则会增加节点的钢筋量，不利于混凝土的浇筑。现行的规范中并无特别有效的节点加固方法。

5 加大截面增加节点抗震能力

表1中还可看出，柱端采用黏贴箍板的加固方法后，其抗剪承载力可满足要求，但节点的抗剪承载力仍无法满足。节点承载力的计算值是基于节点增加的箍筋构造相当于柱端增加的箍板的构造。

目前对节点的加固研究都还停留在框架平面内，忽视了已有框架节点的形状复杂性［7］。根据上面的讨论可知，节点内箍筋量对节点承载力的影响较大，而增加箍筋量可能带来施工困难，加大截面是增加节点抗震能力的有效方法，对于已有节点加固这是优先选择方案。

对既有框架结构，特别是年代较早、节点内部的构造措施比较弱、当时的抗震等级为三级的，其节点的抗震承载力很可能无法满足要求。这在上面的工程例子中可见。

本文建议优先采用八角形截面的加大截面加固方法，如图10所示，与传统的加大截面相比，该方法的优点在于：一是箍筋穿过节点四周的梁形成封闭形式，从而增加配箍量；二是不必另外增加纵筋，解决了传统加固中的新加纵筋或型钢穿过楼板时的施工困难。

图10 八角形加大节点截面法Fig.10 Retrofitmethod of octagon section

加固时，新增混凝土厚度不小于60 mm［8］，新增箍筋直径不小于6 mm。原柱的保护层和加固部位涉及的楼板混凝土打掉后，将新增箍筋与柱纵筋连接在一起，再浇筑新混凝土，若楼板为预制板则先进行切割。新旧混凝土的连接面要处理到位，否则新混凝土粘不牢，不能共同工作。新增箍筋穿越梁截面搭接部位放在梁外，且箍筋与梁之间用结构胶粘结牢固。

加固后仍旧按照抗震规范的节点抗剪承载力公式计算，按取新增的箍筋总截面面积和原截面进行强度复核即可。视增加的箍筋量，节点抗剪承载力提高程度可达到30%～50%。

6 结 语

强节点是实现大震不倒目标的重要原则，现行规范对于节点剪力的计算可能偏大，可以适当考虑梁端剪力对所产生抵抗弯矩的影响。根据现有的规范，节点受剪承载力包括混凝土部分、箍筋部分和轴压力影响三部分，如增加箍筋增加施工困难，增大截面是有效的处理方法，对于已有结构的节点抗震加固，则可以采用八角形截面的加大截面处理方法。

［1］ 吕西林，周德源，李思明，等.建筑结构抗震设计理论与实例［M］.3版.上海：同济大学出版社，2011.Lu Xilin，Zhou Deyuan，Li Siming，et al.Structural seismic design theory and instances［M］.3rd Edition.Shanghai：Tongji University Press，2011.（in Chinese）

［2］ 中华人民共和国原城乡建设环境保护部.GBJ 11—89建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，1990.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GBJ 11—89 Code for seismic design of buildings［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，1990.（in Chinese）

［3］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011—2010建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2010.（in Chinese）

［4］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011—2001建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2001.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50011—2001 Code for seismic design of buildings［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2001.（in Chinese）

［5］ 阎石，郑文泉，张曰果.高强钢筋高强混凝土框架梁柱节点抗震性能试验研究［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2006，22（2）：199-203.Yan Shi，Zheng Wenquan，Zhang Yueguo.An experimental study on seismic behaviors of HRC frame joints reinforced with high-strength rebars［J］.Journal of Shenyang Jianzhu University（Natural Science），2006，22（2）：199-203.（in Chinese）

［6］ 傅剑平.钢筋混凝土框架节点抗震性能与设计方法研究［D］.重庆：重庆大学，2002.Fu Jianping.Seismic behaviour and design of joints in a reinforced conerete frame［D］.Chongqing：Chongqing University，2002.（in Chinese）

［7］ 金国芳，李视令，李思明.框架节点加固的抗震性能试验研究［J］.工程抗震，2000，1：14-17.Jin Guofang，Li Shiling，Li Siming.The study on response of the strengthened joints and the seismic behavior［J］.Earthquake Resistant Engineering，2000，1：14-17.（in Chinese）

［8］ 中华人民共和国建设部.GB 50367—2006混凝土结构加固技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2006.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50367—2006 Design code for strengthening concrete structure［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2006.（in Chinese）

Discussion on Seism ic Design of Reinforced Concrete Frame Joints

SHIHuayan*REN Xiaosong
（Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji University，Shanghai200092，China）

“Strong-joint and weak-member”is an important principle in structural seismic design for the purpose of preventing collapse undermajor earthquakes.This paper reviewed the terms related to seismic design of the joint in the different editions of Chinese seismic design codes.Comparative analyseswere conducted for engineering cases in different periods to demonstrate the joint seismic design.It is suggested to enlarge the section of joint in the seismic retrofit of reinforced concrete frames.

reinforced concrete frame，beam-column joint，strong-joint and weak-member，seismic shear capacity

2013-06-15

*联系作者，Email：807996176＠qq.com