现浇混凝土框架柱施工缝留设位置的力学分析

杨 青 杨国兵

(1.滁州学院土木与建筑工程学院，安徽 滁州 239000； 2.安徽滁州技师学院，安徽 滁州 239000)

0 引言

现浇混凝土框架柱不可避免存在留置施工缝的问题，混凝土浇筑过程中由于施工工序、天气、供料等原因产生的中断浇筑后，在混凝土初凝后再次连续浇筑，直至浇筑完毕，形成的一次次新老混凝土结合面，这个结合面就是施工缝。我国学者对现浇混凝土框架结构柱施工缝处的抗震性能进行了关注[1,2]，并取得了一定成果。但是，探讨施工缝设置是否合理却较为鲜见，因此，按照现行规范施工缝设置原则，改进现有施工缝留设方案仍值得我们深入思考。

1 工程案例

2008年5月12日我国四川汶川特大地震，2010年4月14日青海玉树地震，2013年4月20日四川芦山大地震，均给当地人民生命与财产造成巨大损失。震害调查发现，框架结构并未实现“强柱弱梁”屈服破坏机制，框架结构大多在柱端梁上下(施工缝留设部位)，产生塑性铰造成柱端压溃(见图1)。

施工缝成为框架柱截面的严重薄弱面。虽然造成这种破坏现象的原因非常复杂，诸如结构出现塑性铰后内力分布规律不再遵从弹性内力分布计算；框架梁支座实际超配负筋；框架柱轴压比过大或柱截面偏小；箍筋未按规范要求加密或配箍率过小等，但破坏均发生在施工缝处，未见柱中段溃散。

2 框架柱施工缝问题理论研究

我国规范公式中没有体现施工缝的不同位置对结构抗力计算的影响，研究施工缝对框架结构的整体性与抗震性能的影响，一般通过试验研究或软件模拟进行，近几年国内学者对此研究越来越多，阎西康等[3]制作了带施工缝与不带施工缝类型的两榀两层两跨钢筋混凝土框架模型，通过对其进行拟静力对比试验，发现带施工缝(柱顶端与柱底端)框架的耗能能力均比不带施工缝框架低，且带施工缝框架在框架柱底层与顶层易形成塑性铰破坏机制，但强度退化与刚度退化两者比较不大。李英民等[4]在现行规范施工缝处理前提下，利用OpenSees软件分析与试验结果，研究了带施工缝柱端受力情况，研究表明，柱施工缝处是薄弱部位，存在明显应力集中现象，是主裂缝中心，而不带施工缝的裂缝是随机的，施工缝处混凝土抗拉强度很小，构件拉应力几乎全部由纵向钢筋承担，柱抗剪能力包括混凝土和钢筋两部分，施工缝混凝土抗剪能力仅是整浇混凝土强度的1/2，且与该处压应力密切相关。李倩[5]建立了在施工缝处进行插筋补强模型，模拟了带缝、不带缝与缝中插筋三种情况下的低周反复加载试验，结果显示，带缝柱与不带缝相比，屈服荷载与最大荷载承载能力下降12%～18%，屈服位移和位移峰值相差不大，而插筋补强的承载能力与变形能力均有显著改善，通过插筋数量的调整，最大荷载甚至可以超越无缝柱，达到有缝的1.25倍。国外学者研究施工缝构件的力学性能成果与我国学者有类似的结论。但是，这些学者试验研究的施工缝均设置在框架柱的端部，施工缝设置在其他位置却极为少见，因此，框架结构中不同位置(如边柱、中柱、角柱)结构构件施工缝的合理位置探讨，以及对结构的整体性与抗震性能影响课题研究任重道远。

3 框架柱施工缝合理位置的力学分析

3.1 框架模型的建立

以一单跨二层钢筋混凝土框架结构为例，计算框架柱在水平荷载作用下(如地震作用)的内力图分布，讨论施工缝的合理位置，模拟常见建筑物框架原结构，设钢筋混凝土框架柱截面尺寸为450 mm×450 mm，梁截面尺寸为250 mm×700 mm，设底层相对柱线刚度为1，则框架梁相对线刚度为1.5，暂不考虑现浇楼面对框架梁的增强作用，考虑底层基础埋置深度，底层及二层柱高分别取4 800 mm,3 300 mm，跨度6 000 mm，二层与底层柱顶作用水平力分别为200 kN,300 kN，为对称结构，如图2所示。

3.2 水平力作用下框架内力计算

将荷载分解为正对称与反对称荷载，见图3，图4。正对称荷载作用下，各杆无弯矩；反对称荷载作用下，取半结构分析并锁住结点E，C，如图5所示。AC柱与CE柱受力如图6所示，采用无剪力分配法计算如下。

1)计算分配系数:

2)计算各杆的固端弯矩:

3)力矩分配与传递。

计算过程详见表1。

表1 杆端弯矩计算

4)弯矩图与剪力图。

根据计算结果，作出框架在水平荷载作用下的弯矩图与剪力图，分别见图7，图8。

3.3 框架柱施工缝合理位置分析

高规[6]第13.8.10条规定，“混凝土施工缝宜留置在结构受力较小且便于施工的位置”。《混凝土工程施工及验收规范》[7]第7.4.2条文说明：“混凝土施工缝不应随意留置，其位置应事先在施工方案中确定。确定施工缝位置的原则为：尽可能留置在受力较小的部位；留置部位应便于施工”。可见，规范并没有明确指定框架柱施工缝的具体位置。但几乎通常的做法是，框架柱施工缝留在梁底以下20 mm～30 mm处或在梁、板面标高处。

由本案算例计算内力图可知，二层反弯点在楼面上1 m左右处(柱高中间偏下0.6 m)，一层反弯点在柱高中间偏上0.3 m，剪力在层高范围内为均值。考虑现浇楼面对框架梁刚度的增强作用，文献[8]根据框架梁在建筑结构平面位置有所区别，中榀框架取2倍线刚度，边榀框架取1.5倍线刚度，则本案几乎可以采用剪力分配法解算内力(本文在此不展开)，如再考虑与竖向荷载组合[9]，仍可以得出同样结论。

因此，在水平荷载作用下(如地震作用)框架边柱受力较小部位并不在框架柱的上下端部，即使在框架梁底处，柱截面的弯矩也是非常可观，考虑本算例的荷载及梁柱线刚度偏差，符合弯剪内力均较小的施工缝应在本层柱高中间段1/3高度范围内更为合理。4 结语

施工缝处浇筑新混凝土的正确和有效的处理[10]遵从现行验收规范，施工缝的合理位置与施工缝处保证新老混凝土的粘结质量措施，对增强框架结构抗震性能来说，两者不可偏废。

本文通过两层框架水平力作用下框架柱弯矩剪力图分析，提出了框架边柱合理施工缝留设位置，框架边柱在本层柱高中间段1/3高度范围内更为合理。其他框架柱施工缝位置有待进一步完善。