新型梁端开槽钢筋混凝土梁柱节点的设计方法研究

2023-02-27许嘉成

中国建筑装饰装修 2023年3期

关键词：纵筋筋率梁柱

许嘉成

1 配筋设计

1.1 底部纵筋配筋设计

在开槽梁柱节点中，抗弯强度主要由底部纵筋控制，底部纵筋的配筋率由构件承受的弯矩确定。

在正弯矩作用下，开槽梁的节点受力情况与未开槽梁的受力情况类似，其节点受力简图如图1 所示。

图1 正弯矩作用下开槽梁柱节点受力简图（来源：作者自绘）

由于所有力对截面上任意一点的合力矩为零，因此当对受压区混凝土压应力合力的作用点取矩时，可以得到：

式（1）和式（2）中，∑Mc表示对受压区混凝土压应力合力作用点的弯矩，kN·m；M+表示梁承受的正弯矩，kN·m；h0表示截面的有效高度，mm；x表示按等效矩形应力图形计算的受压区高度，mm；fy表示纵向钢筋的抗拉强度设计值，MPa；As表示纵向受拉钢筋的截面面积，mm2。

在负弯矩作用下，开槽梁节点的受力情况与未开槽梁不同。由于开槽，梁的底部缺少混凝土承受压力，强度由底部纵筋的受压屈服控制，节点受力简图如图2 所示。

图2 负弯矩作用下开槽梁柱节点受力简图（来源：作者自绘）

如果顶部塑性铰区未发生过度伸长，该区域下部的混凝土会受压，由于其靠近中性轴，因此可以忽略不计。梁承受的负弯矩计算公式为：

式中，M-表示梁承受的负弯矩，kN·m；as'表示顶部纵筋与梁顶面的距离，mm；h0表示截面的有效高度，mm；fy表示纵向钢筋的抗拉强度设计值，MPa；As表示纵向受拉钢筋的截面面积，mm2。

超筋破坏是在纵向受拉钢筋还没有屈服的情况下，由于混凝土受压区先压碎导致的破坏，而最大配筋率的限制是为了防止试件混凝土达到受压强度发生脆性破坏。由于开槽钢筋混凝土梁柱节点和未开槽梁柱节点一样，抗弯承载力由底部纵筋的受拉和顶部混凝土受压共同提供，因此最大配筋率的限制也适用于开槽梁。

根据我国现行规范要求，梁端纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于2.5%[1]。少筋破坏的特点是构件一旦开裂，钢筋应力立即达到屈服强度，构件破坏时裂缝只有1 条，属于脆性破坏类型。最小配筋率是为了保证有足够的受拉钢筋，防止截面在第一次开裂时就发生脆性破坏。由于梁端的开槽相当于1 条人工裂缝，不会发生开裂时的脆性破坏，而最小配筋率可以限制底部纵筋的塑性应变，防止开槽梁中发生低周疲劳破坏，因此必须满足最小配筋率的要求[2]。最小配筋率的计算公式为：

式（4）和式（5）中，ρmin表示最小配筋率；ft表示混凝土轴心抗拉强度设计值，MPa；b表示受弯构件的截面宽度，mm；h表示受弯构件的截面高度，mm；fy表示纵向钢筋的抗拉强度设计值，MPa；As表示纵向受拉钢筋的截面面积，mm2。

1.2 顶部纵筋配筋设计

与传统钢筋混凝土梁相比，开槽梁的伸长量较小，显著降低了对相邻楼板的破坏。在钢筋混凝土梁中，梁的伸长主要是由于以下3 个原因：第一，钢筋混凝土结构在荷载作用下，梁端进入塑性状态，形成塑性铰，塑性铰的转动会使梁伸长。第二，塑性铰区的混凝土不能提供足够的抗剪承载力，因此产生很多斜裂缝，斜裂缝中的骨料滑移导致裂缝不能闭合而发生膨胀。第三，在低周反复荷载作用下，梁内的受拉钢筋屈服，但受压钢筋未屈服[3]。

梁受弯损伤后的轴向伸长主要发生在塑性铰区域，梁轴向伸长主要包括几何变形伸长和残余变形伸长两方面。其中，几何变形伸长是当梁受弯损伤开裂后，梁中和轴将从截面的几何中心向受压区偏移，导致几何中心进入受拉区，如图3所示；而残余变形伸长是因受拉纵筋屈服后无法恢复至原长引起的[4]。

图3 梁轴向几何变形伸长（来源：作者自绘）

在开槽钢筋混凝土梁中，由于塑性铰深度较小，转动只发生在很浅的顶部塑性铰区，因此几何伸长量较小。在低周反复荷载作用下，顶部纵向钢筋屈服较小，材料伸长量也较小，开槽梁可以有效降低梁的伸长量，减少对相邻楼板的破坏。

在开槽梁柱节点中，顶部纵筋的主要作用是限制裂缝的大小、数量和梁的伸长量，当底部纵筋发生屈服后，顶部纵筋会承受过量的内力，要保证顶部纵筋始终保持弹性状态，必须设置足够的配筋。在进行开槽梁柱节点设计时，相对于底部纵筋，要采用较大的顶部纵筋面积，防止顶部纵筋屈服，从而减少梁的伸长。为了避免顶部塑性铰区的钢筋过于密集，可以使用直径较小的HRB500 级钢筋。

1.3 弯起钢筋设计

弯起钢筋的设计应符合《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）的要求，弯起角宜取45°或60°，在受拉区锚固长度不应小于20d，在受压区不应小于10d，其中d为纵筋直径[5]。由于梁端底部缺少混凝土受压，可以在节点下部适当减小箍筋间距，以增强节点内的桁架机构。弯起钢筋承担的剪力为：

式中，Vs表示弯起钢筋承担的剪力，kN；Av表示弯起钢筋的配筋面积，mm2；fy表示纵向钢筋的抗拉强度设计值，MPa；θ表示弯起钢筋的弯起角度，°。

弯起钢筋的上端弯曲点设置在柱内，设上端弯曲点距柱面的距离为x，弯起钢筋上部与底部纵筋的距离hx为：

式中，hx表示弯起钢筋上部与底部纵筋的距离，mm；lw表示无粘结区域钢筋长度，mm；ls表示无粘结区域末端到弯起钢筋弯起点间的距离，mm；x表示上端弯曲点与柱面的距离，mm；Δslot表示开槽宽度的最小值，mm。

弯起钢筋上部与梁顶面的距离hx'为：

式中，hx'表示弯起钢筋上部与梁顶面的距离，mm；h表示受弯构件的截面高度，mm；as表示保护层厚度，mm；lw表示无粘结区域钢筋长度，mm；hx表示弯起钢筋上部与底部纵筋的距离，mm；ls表示无粘结区域末端到弯起钢筋弯起点间的距离，mm；Δslot表示开槽宽度的最小值，mm。

1.4 底部纵筋无粘结区域设计

发生地震时，交变地震载荷使建筑结构钢筋承受高应变低周疲劳，这既不同于非地震区建筑中的静载，也不同于低应变高周疲劳。高应变低周疲劳主要是塑性应变，强震时塑性应变的范围很大。地震作用具有时间长、往复振动次数多的特点，因此在地震尤其是强震作用下，结构会产生较大的累积损伤，导致承载力降低，进而引发整体结构的倒塌破坏。在地震作用下，钢筋的低周疲劳对试件的抗震性能有较大影响。未开槽钢筋混凝土梁的底部纵筋在受拉时发生屈服，但在受压时变形较小。而在开槽梁中，底部钢筋在受拉和受压时都有可能发生很大的变形。

因此，这种连接方式更有可能因钢筋在低周疲劳情况下发生断裂而导致节点破坏。为了改善这种情况，可在底部纵筋的一段区域内使用聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）管或钢管建立无粘结区，以减少塑性应变的累积。为防止“S 裂缝”的产生，底部纵筋无粘结区域的前端应和开槽截面平齐，后端不得超出弯起钢筋的下部弯起点。

1.5 箍筋设计

（1）梁箍筋。当钢筋混凝土构件承受地震作用时，钢筋可能会反复承受较大的拉伸和压缩应变，若对钢筋的约束不够，则在受损混凝土的挤压下会导致钢筋出现大的侧向变形，即钢筋屈曲。在钢筋混凝土结构中，无论是梁还是柱，都应在容易出现塑性铰的梁端或柱端设置合适数量的箍筋。箍筋的间距越大，相邻箍筋间的纵向钢筋越容易发生屈曲，构件越容易破坏。目前，《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）中规定，箍筋加密区范围为2 倍梁高和500 mm中的较大值，箍筋最大间距要求为纵向钢筋直径的6 倍、梁高的1/4 和100 mm中的较小值，这些在开槽梁中仍然适用。

（2）柱箍筋。箍筋能够为柱子提供足够的强度，开槽试件柱箍筋的设置可以参照普通梁柱节点箍筋的设计要求进行。因此，本次试件的柱箍筋依照《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）中的相关规定进行设计。

2 开槽设计

在开槽梁柱节点中，当梁承受正弯矩时，槽口打开；当梁承受负弯矩时，槽口关闭。开槽宽度的设计首先要保证在槽口关闭时，梁的底部不会与柱面接触。如果槽口宽度过小，在柱顶发生较大侧移时，那么梁底部就会与柱面接触，导致梁顶部承受额外的拉力，可能会引起顶部纵筋发生屈服，造成梁的伸长量增大。在节点中，梁柱转角存在一定的换算关系（图4），其计算公式为：