框架节点核心区剪压比超限影响因素及对策

王 佐，杨海龙，陈 杰，张运良

（1、重庆新和建筑工程有限公司 重庆 401120；2、中国电子系统工程第二建设有限公司 重庆 400050；3、中国建筑第二工程局有限公司西南分公司 重庆 401120；4、重庆大学建筑规划设计研究总院有限公司 重庆 400045）

1 节点核心区受力机制

框架节点是框架结构中的重要结构部件，它将框架梁和柱连接为一个整体，在框架梁和框架柱之间进行着力的传递和分配。框架节点由梁端、柱端和节点核心区3个部分组成，其中节点核心区是关键部件，节点核心区一旦破坏，框架将失效，造成结构的倒塌。在梁端、柱端的弯、剪、压作用下，节点核心区受力复杂，主要破坏形式表现为受剪破坏。其受力模型比较有共识的是斜压杆模型和桁架模型，如图1 所示。在节点受力的早期，传入节点核心区的力合成沿节点对角线方向的压力，并由混凝土的斜向压杆承担。随着作用力的增大，在受力的后期，与斜向压杆垂直方向的主拉应力超过了混凝土的抗拉强度，形成一些与斜向压杆平行的裂缝。开裂后的节点核心区主压应力仍然由混凝土斜压杆承担，主拉应力将由节点核心区的水平箍筋承担。节点水平箍筋还为斜压杆提供了侧向约束。在往复荷载的作用下，节点核心区混凝土被双向斜裂缝分割成菱形块体。得益于箍筋的约束作用，核心区斜裂缝开展有限，菱形混凝土块体之间仍然保持斜压杆的传力功能。在更大的往复荷载作用下，核心区混凝土斜压杆发生失稳压溃，节点达到完全破坏。框架在双向地震作用下，框架节点在两个方向同时受力，节点内作用合成剪力，节点端部形成空间斜向受压区，节点内形成不同于单向受力的空间斜向斜压杆［1］。大量模型化研究和试验研究［2-3］表明，节点核心区的抗剪承载力主要由混凝土斜压杆和水平箍筋这两部分共同组成。当剪力大到一定程度，靠增大节点箍筋已经无法进一步提高节点核心区的抗剪承载力了，剪力超过了节点核心区抗剪能力的上限，这就是节点核心区剪压比超限。

图1 受力模型Fig.1 Stress Model

2 节点核心区剪压比超限的规范规定

为防止节点核心区剪压比超限，《混凝土结构设计规范（2015年版）：GB 50010—2010》［4］第11.6.3条规定，框架梁柱节点核心区的受剪水平截面应符合下列条件：

式中：βc为混凝土强度影响系数，当混凝土强度等级不超过C50时取1.0，C80时取0.8，其间按线性内插法取值；fc为混凝土抗压强度设计值；bj为框架节点核心区的截面有效验算宽度：当bb≮bc∕2 时，可取bc；当bb＜bc∕2 时，可取bb+0.5hc和bc中的较小者。当梁与柱的中线不重合且偏心距e0≯bc∕4 时，可取（bb+0.5hc）、（0.5bb+0.5bc+0.25hc-e0）和bc三者中的最小值。此处，bb为验算方向梁截面宽度，bc为该侧柱截面宽度，hc为验算方向的柱截面高度；hj为框架节点核心区的截面高度；ηj为正交梁对节点的约束影响系数：当梁板为现浇、梁柱中心线重合、四侧各梁截面不小于该侧柱截面宽1∕2，且正交方向梁高高不小于较高框架梁高度的3∕4 时，ηj可取1.5，但对9度设防烈度，ηj宜取1.25；当不满足上述条件时，ηj应取1.0。

3 节点核心区剪压比超限影响因素分析

3.1 节点混凝土强度

节点核心区的最终破坏，是由节点核心区混凝土斜压杆的压溃导致的。提高节点混凝土的抗压强度fc可以提高节点核心区抗剪承载力上限，众多的试验验证了这一点［5］。混凝土强度越高脆性越大，混凝土强度有效系数越低［6］，文献［4］通过引入混凝土强度影响系数βc来反映这种影响。

实际工程中框架节点核心区的混凝土强度要么同框架梁，要么同框架柱。闫维明等人［7］的研究表明，中高剪压比试件核心区不宜直接采用与楼盖梁等强度的混凝土浇筑。单独提高节点混凝土强度实施起来不太方便。混凝土强度不宜提高过多，不宜与同层其它柱的混凝土强度相差太大。苏骏等人［8］对一种新型超高韧性水泥基材料取代框架梁柱节点核心区普通混凝土进行了试验研究，证明其具有更高的抗震延性和耗能性能。

3.2 节点核心区抗剪验算有效截面

影响节点核心区剪压比的另一重要因素是节点核心区抗剪验算有效截面，即bjhj。增大验算方向的柱截面高度hj，可以成比例地直接提高节点核心区抗剪承载力上限。而节点核心区截面有效验算宽度bj则跟柱截面宽度、梁宽度、梁偏心距等均有关。当验算方向梁宽较小或偏心较大时，增大梁宽或减小偏心距，也能增大抗剪验算有效截面，提高核心区抗剪承载力上限。

梁柱截面增大，其线刚度增大，该梁柱在结构中分配到的内力也增大，进而会增大节点剪力。加高梁截面可改善节点核心区剪压比超限问题。在低烈度改善效果很明显，这是因为由梁截面加大而引起的梁端弯矩增长幅度小于节点截面增加幅度。但高烈度改善效果不明显，这是因为梁刚度变大引起的梁端弯矩增大较多［9］。如果节点核心区剪压比超限不多，可适当增大节点有关梁柱的截面。如果节点核心区剪压比超限较多，仅调整框架梁柱截面，会导致该梁柱截面远大于相邻其它梁柱，甚至形成短柱，对结构抗震不利。另外，梁柱截面增大较多也可能对建筑功能和空间效果带来影响，也不是特别经济。因此，在高烈度区节点核心区剪压比超限较多时，不宜仅增大梁柱截面，可综合采取其它措施来解决。

3.3 正交梁的约束

当节点有符合要求的正交梁和周边现浇板的约束时，正交梁对节点的约束影响系数ηj取1.5 或1.25（9度设防），可以提高节点核心区剪压比上限。

框架结构理想的抗震机制，是在地震作用下梁端首先出现塑性铰，消耗地震能量。理想状况下，大震时框架梁的梁端出现塑性铰。当正交方向梁端出现塑性铰后，正交梁对节点的约束就会减弱。在计算罕遇地震作用时的节点抗剪承载力时，ηj不宜取得太大，参考文献［4］对9度设防时的取值，建议ηj可取1.25。

3.4 梁端加腋

若正交方向的梁截面较小，或梁偏心，则其约束作用就不明显，ηj只能取1.0。在框架梁端部设置水平加腋（见图2），可以提高节点核心区剪压比上限。沿验算方向的梁端水平加腋，相当于增大了验算截面的有效宽度bj。正交梁梁端水平加腋相当于增加了对节点核心区的侧向约束。孙捷等人［10］的研究表明，梁端水平加腋并保证一定的加腋宽度，可以显著提高偏心节点的抗剪承载力。

图2 梁端水平加腋Fig.2 Horizontal Haunching at Beam End

“强柱弱梁，强节点弱构件”是框架结构抗震设计的重要原则。梁端加腋在增加对节点核心区的约束的同时也增加了梁端的抗弯强度，推迟了梁端出现塑性铰的时间，梁端屈服时柱端和节点受力会增大，不利于“强柱弱梁”和“强节点弱构件”的实现。如果梁端加腋比较大，柱铰可能先于梁铰出现，甚至出现节点核心区的抗剪破坏，不能充分发挥先出梁端塑性铰的耗能作用，影响结构的抗震性能。刘艳等人的试验研究［11］证实，梁端水平加腋会干扰塑性铰的出现，由于加腋的宽度、长度的不同，梁端塑性铰出现的时间和位置不同。基于以上原因，不宜盲目采取对梁端加腋来提高节点核心区抗剪能力。

4 节点核心区外设置柱帽

在一定的条件下，不管是节点水平箍筋对节点核心区混凝土斜压杆的约束，还是节点外正交梁和水平加腋对节点的约束，都可以提高节点核心区抗剪承载力。按照这一思路，可以通过设置柱帽来提高节点核心区抗剪承载力。即在框架节点区设置一个扩大的圆柱形柱头来包裹住节点，如图3⒜所示，柱帽上部平梁顶面，下部比梁底稍低。柱帽设置水平和竖向的封闭钢筋，形成一个空间的钢筋笼，顶面和底面钢筋之间设置拉筋，如图3⒝所示，以形成对柱帽混凝土的良好约束。柱帽相当于一个扩大了的节点域，对框架节点进行了三维的约束。为了让这种约束效果更好，柱帽采用圆柱形而不是矩形。框架梁按原设计贯穿柱帽进入框架节点。由于柱帽很强，梁端塑性铰将出现在柱帽边界外的梁端。即使梁端出现了塑性铰，柱帽也能很好地约束住节点核心区，实现“强节点弱构件”。

图3 柱帽及其剖面Fig.3 Column Cap and Its Section （mm）

设置柱帽后，如何计算节点核心区的抗剪承载力，目前还缺乏相关试验研究。某种程度上，柱帽相当于一个扩大了的节点。保守地，可以将柱帽仅作为对节点核心区的约束部件。从工程实用出发，如图3⒜中的柱帽范围内可将梁看作是有水平加腋的，加腋宽度不超过加腋长度的1∕2，按加腋后的梁宽确定抗剪截面验算有效宽度bj。由于柱帽对节点的良好约束效果，约束影响系数ηj也可以从1.0 提高到1.5，从而大幅提高节点核心区抗剪承载力上限，避免剪压比超限。

5 实际工程案例

某高烈度区大型多层商业建筑为RC 框架结构。典型柱距8.4 m，最大框架梁跨度26 m。典型柱截面1 000 mm×1 000 mm，典型框架梁截面400 mm×800 mm。框架柱混凝土强度等级C45，梁板C30。抗震设防烈度为8 度（0.3g），设防类别为乙类。其中有一些复杂框架节点的核心区剪压比超限，其原因除了项目位于高烈度区本身地震作用大外，还因为建筑功能的需要，存在着梁跨度大、梁截面宽度小于柱宽1∕2、梁与柱斜交、多向多根梁交汇于同一个框架节点等不利情况。例如其中某柱节点（见图4）连接了6 根框架梁，斜向框架梁最大跨度24 m。计算配筋结果提示节点域抗剪箍筋面积超限，查超限信息文件显示，Vjy=7 638.7 kN＞1∕γre·0.30·1.0·βc·fc·bj·hj=6 702.4 kN，节点核心区剪压比不满足文献［4］要求。由于正交梁宽小于柱截面宽的1∕2，软件计算中参数ηj取1.0，bj取bb+0.5hc=900 mm。虽然剪压比超限不多，但是作为高烈度区的乙类设防建筑，多根多向大跨度梁交汇于一点，该节点作用极为关键，不但要确保多遇地震时的承载力，还应确保在罕遇地震作用下不能破坏。综合考虑，在该节点设置圆柱形柱帽。柱帽直径2 014 mm，高1 300 mm，混凝土强度等级同柱。按图3⒝对柱帽进行钢筋配置，其中竖向环筋为ϕ25@150，水平环筋为ϕ20@200，拉筋为ϕ16@300，隔一拉一。计算节点核心区受剪承载力时仅将柱帽当作梁端水平加腋，bj取bb=1 000 mm，ηj取1.5，节点核心区抗剪承载力上限提高到了11 170 kN，大于节点剪力Vj，剪压比满足文献［4］要求。由于柱帽的良好约束和加强作用，该复杂框架节点抗剪承载力得到大幅提高，实现了在罕遇地震作用下节点核心区受剪不屈服的性能目标。

图4 实例节点Fig.4 Instance Node （mm）

6 结论

通过对框架节点核心区剪压比超限影响因素的分析，得出以下结论和设计建议：

⑴提高节点混凝土强度可以改善节点核心区剪压比超限，但施工不便，且不宜提高过多，超限不多时可适当提高该节点所在柱的混凝土强度。

⑵增大梁柱的截面可以提高节点核心区剪压比上限，但应注意构件刚度增大造成分担内力增加带来的不利影响。

⑶正交梁梁端出铰后对节点的侧向约束会减弱，建议复核罕遇地震节点受剪承载力时，ηj不宜取得太大。

⑷梁端加腋会干扰塑性铰的出现时间和位置，不宜盲目采用梁端加腋来提高节点核心区抗剪承载力。

⑸设置柱帽能大幅度提高节点抗剪能力，有利于“强节点弱构件”的实现，是一种解决复杂框架节点核心区剪压比超限的有效措施。