梁柱抗震節(jié)點核心區(qū)內(nèi)加設型鋼芯柱的新構造措施

劉訓臣

中國建筑第二工程局有限公司 山東 煙臺 264000

在鋼筋混凝土框架結(jié)構中，梁柱交接處，也就是核心節(jié)點區(qū)，是框架結(jié)構抗震最為重要的部分。傳統(tǒng)的設計方法一般是采取提高核心區(qū)混凝土強度、加密加粗核心區(qū)箍筋、減少偏向影響等措施。但大量的施工經(jīng)驗表明，當框架柱混凝土強度高于框架梁混凝土強度時，很難完全保證所有的核心區(qū)混凝土達到設計要求。為此，從地震原理和抗震原理方面進行分析，尋求更為可靠的核心區(qū)加固措施尤為重要。

1 地震對框架結(jié)構柱梁節(jié)點的破壞分析

1.1 地震對建筑物傳力的原理分析

針對地震現(xiàn)象，科學家及建筑工程師們經(jīng)過大量的破壞模擬震動平臺試驗及力學機理計算總結(jié)，認為地震對建筑物的破壞主要是地震波動激發(fā)的，如圖1所示，地震波主要分為3種，分別為縱波、橫波和面波。

圖1 地震波示意

通俗地講，縱波會使地面上下振動從而使得地面建筑物上下晃動；橫波會使地面建筑物前后、左右晃動，對建筑物而言，對其產(chǎn)生破壞的主要是水平剪切力；面波則是縱波和橫波在地球表面相遇后產(chǎn)生的混合波動，從專業(yè)角度看，面波又分為2種形式，即瑞利波和勒夫波。面波綜合橫波和縱波的特性，既可引起地表面上下波動，也能對地面做橫向剪切，而剪切力對建筑物本身的破壞最為嚴重。由此可見，面波對建筑物的破壞最為嚴重，也是當今科學家及工程師們主要的研究對象之一。

1.2 地震對房屋破壞的形式分析

從力學角度分析，不管什么樣結(jié)構形式的建筑物都有一定的剛度，以抵抗外力作用引起的形變。地震產(chǎn)生的能量通過基礎下巖層傳遞給基礎，使得建筑物本身振動變形。通常情況下，建筑物的荷載取值都是按靜力設計的，很少考慮外力的影響。當振動的強度超過建筑自身的形變能力時，就會產(chǎn)生破壞。地震對建筑的破壞形式分為以下幾種。

1）地基基礎的破壞。建筑物基礎下的土質(zhì)、巖層的結(jié)構和深度、基礎的類型和深度以及地表的地形、特征等都會對建筑物的地震破壞有一定的影響。當?shù)卣甬a(chǎn)生的加速度較小或者地質(zhì)結(jié)構堅實時，地表層或墊層可能會先達到屈服點，對地基巖石、土層造成影響，導致地基下部土質(zhì)液化，引起建筑物的下沉和傾斜，這在地震災害中較為常見。在現(xiàn)代建筑設計中，尤其是高層建筑，大多采用筏板基礎或箱筏基礎來抵抗地震可能造成的地質(zhì)局部下沉開裂。

2）縱波導致的破壞。縱波對建筑物產(chǎn)生豎向振動，會使底層墻、柱瞬間附加很大的動荷載，由于上部結(jié)構的自重較大，故底部地震力和結(jié)構自重力形成強大碰撞，從而導致結(jié)構產(chǎn)生嚴重破壞。

3）橫波導致的破壞。橫波會對建筑物產(chǎn)生水平晃動，破壞力強。它相當于給建筑物施加水平方向上反復的作用力，大小以及產(chǎn)生的形變超出底部墻、柱的極限時，就會使建筑物傾斜、傾倒，從而導致建筑物破壞。

4）綜合地震力導致的破壞。由各種原因產(chǎn)生的綜合地震力，致使建筑物繞水平方向和豎直方向同時受到地震力的作用，這種情況對建筑物的影響很大，因為建筑物一般抵抗扭矩性能差，很容易因這種扭轉(zhuǎn)力產(chǎn)生破壞。

5）地震力疊加作用產(chǎn)生的破壞。豎、橫向地震力和旋轉(zhuǎn)地震力在離震中較近的范圍內(nèi)，往往會有疊加作用，對建筑物產(chǎn)生毀滅性的破壞。在混凝土框架主體結(jié)構抗震設計時，工程人對“強柱弱梁”的意識有所提高，但在施工過程中不能避免“弱柱”結(jié)構夾雜其中。當?shù)卣鹱饔脮r，弱柱節(jié)點會先行破壞。綜上分析，地震對建筑物的破壞多集中在柱梁節(jié)點處。

2 “強柱弱梁”節(jié)點實景分析

“強柱弱梁”是從抗震角度總結(jié)出的結(jié)構設計概念。通俗地講，框架結(jié)構中框架柱承載能力強于框架梁。當?shù)卣饋砼R時，框架梁先被破壞，以保證框架柱整體完好，屬于局部破壞，如圖2所示。

圖2 “強柱弱梁”抗震效果實景

從專業(yè)角度分析，通過一些有效的施工措施及設計手段引導框架結(jié)構和框剪結(jié)構在地震力破壞時形成梁端鉸支座連接，框架梁兩端先形成塑性變形，從而使梁先被破壞。

然而通過地震資料來看，現(xiàn)實中還有相當一部分建筑沒有真正做到“強柱弱梁”，導致節(jié)點先于梁端產(chǎn)生破壞，圖3為典型的“強梁弱柱”形式。假如稍有余震就會造成該建筑物整體坍塌。

圖3 “強梁弱柱”抗震效果實景

根據(jù)對大量的地震事實及研究資料分析，地震產(chǎn)生的水平波動是造成建筑物破壞最主要的原因。因此，國家標準GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》中要求在結(jié)構設計時，在兩個主軸方向上應驗算水平地震力。當然，對于設防烈度有更高要求的高層建筑，應驗算豎向地震力（規(guī)范規(guī)定為9度及以上）[1]。

3 核心區(qū)節(jié)點傳統(tǒng)構造設計方案利弊分析

根據(jù)影響核心區(qū)節(jié)點原因分析結(jié)果，一般設計師采用“抗、放、轉(zhuǎn)”等幾種原則進行設計。提高節(jié)點區(qū)混凝土強度是“抗”這種大原則中的一種，已普遍應用在工程實體中，本文重點分析該措施的利與弊。

3.1 優(yōu)點

大量試驗及地震資料證明，提高節(jié)點混凝土強度在地震來臨時會大幅度提高核心區(qū)水平抗剪承載力，該構造簡單直接，對結(jié)構設計師而言比較容易計算、深化。

3.2 缺點

1）當前的施工工藝難以完全滿足設計節(jié)點構造要求，易造成節(jié)點高強度混凝土不能澆筑到上一層柱根部，從而形成低強度混凝土夾層。

2）為保證整個框架柱核心區(qū)混凝土強度，一般在設計節(jié)點構造時，高標號混凝土會延伸到周邊梁端500～1 000 mm處，造成梁端剛度過大，在地震來臨時，梁柱交接處不能立即形成塑性鉸，即形成所謂的“強梁弱柱”構造，框架柱首先倒塌破壞，致使框架梁破壞較輕，梁柱節(jié)點處的剪切過大，節(jié)點先被破壞，形成整體倒塌。施工現(xiàn)場節(jié)點處理措施如圖4所示。

圖4 梁柱節(jié)點處理

3）鋼絲網(wǎng)攔截處極易張開，使得高強度混凝土流入梁內(nèi)。原設計配筋率只能滿足低強度混凝土的收縮，滿足不了高強度混凝土的收縮，使梁內(nèi)出現(xiàn)不同程度的收縮裂縫。

4）正常情況是先澆筑高強度混凝土，在達到初凝時間前澆筑低強度混凝土，這是為了保證高強度混凝土能夠滿足設計要求[2]。可是在實際施工時，往往由于組織協(xié)調(diào)、混凝土站供料、市區(qū)內(nèi)交通不便等原因滿足不了上述要求，在鋼絲網(wǎng)處形成了一道夾層，即冷縫，對于梁而言，該處受力極為不利。

5）核心區(qū)混凝土強度越小，節(jié)點的延性越好，脆性也就越??；反之，節(jié)點的延性就越差。設計人員為提高該節(jié)點混凝土的延性，還要采取必要的結(jié)構構造措施來約束節(jié)點混凝土，結(jié)構構造措施通常都會增加大量的構造鋼筋，造成工程成本增加。

4 核心區(qū)節(jié)點新構造措施理論分析

4.1 從核心區(qū)受力驗算分析

目前，我國關于框架核心區(qū)抗剪力設計方法主要依據(jù)抗剪承載力試驗結(jié)果建立，并結(jié)合地震資料總結(jié)出設計公式。

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》，以9度設防烈度的一級抗震等級框架為例，從規(guī)范中11.6.4-1公式可以直觀看出，核心區(qū)抗剪承載力是由混凝土抗剪承載力值和鋼筋抗剪承載力值相加得出的。具體而言，核心區(qū)抗剪承載力在條件相同的情況下，核心區(qū)混凝土的抗壓強度設計值與箍筋肢數(shù)的全部截面積有著至關重要的聯(lián)系。

再根據(jù)規(guī)范中6.6.4-3公式可以看出，核心區(qū)抵抗地震剪力是由核心區(qū)鋼筋抗剪承載力、混凝土抗剪承載力以及框架柱內(nèi)型鋼的抗剪承載力相加得出的。具體而言，核心區(qū)抗剪承載力在條件相同的情況下，與混凝土抗壓強度設計值、箍筋各肢的全部截面積和型鋼柱尺寸有直接關系。

從兩個規(guī)范公式分析，假設相同的抗震條件下，即抗剪承載力值相同的情況下，在普通的鋼筋混凝土框架核心節(jié)點區(qū)內(nèi)加設型鋼柱（僅在核心區(qū)加設一段型鋼）可以降低核心區(qū)混凝土強度，以及減少核心區(qū)箍筋數(shù)量。

4.2 從框架梁、柱節(jié)點抗震機理分析

4.2.1 斜壓桿機理

經(jīng)過學術界的研究資料分析，核心區(qū)混凝土表面產(chǎn)生變形裂縫前，節(jié)點正處于彈性階段，核心區(qū)各肢箍筋應力較小，大部分應力由混凝土抵抗。梁端和柱端受壓區(qū)混凝土在平衡梁、柱截面的剪力后，在節(jié)點核心區(qū)對角線位置形成了有一定比例寬度的混凝土斜向壓應力帶，這就是核心區(qū)斜壓桿機理，如圖5所示。

圖5 斜壓桿機理

斜壓桿機理適用于框架梁、框架柱的承載能力相對比較弱，在地震力作用下，主框架首先被破壞，而核心區(qū)結(jié)構沒有被地震力破壞的情況。當節(jié)點核心區(qū)箍筋規(guī)格及肢數(shù)設計較少時，節(jié)點核心區(qū)的混凝土成了主要承擔地震力的措施。隨著地震力的作用，核心區(qū)逐漸加大受力，即使核心區(qū)表面沒有開裂，但內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了變形裂縫，即形成許多斜壓桿件。

假如在柱中核心區(qū)域設型鋼芯柱，如圖6所示。

圖6 核心區(qū)節(jié)點處加設型鋼芯柱

從理論上可以認為斜壓應力帶將會增寬，從而使混凝土能夠抵抗更大的剪力而不出現(xiàn)裂縫。

4.2.2 桁架機理

貫穿核心區(qū)的框架梁主筋和框架柱主筋，在核心區(qū)所受各種力的聯(lián)合作用下，將大部分力經(jīng)過黏結(jié)效應原理，以剪力流的方式傳入節(jié)點，使節(jié)點核心處在純粹剪力情況下。假設節(jié)點處所有縱向受力鋼筋及箍筋的握裹力都相對均勻地承受，從一端承受拉力的形式，傳遞到另一端變成承受壓力的形式，隨著地震力的反復作用，在斜向主壓應力的作用下，核心區(qū)的混凝土被許多條交叉的斜向變形裂縫切割成許多個相對平行的斜向壓桿，混凝土的斜壓桿抵抗水平剪力的機制漸漸被削弱，主要的拉應力將由節(jié)點箍筋箍肢以及框架柱排列的縱向主筋承擔，就形成了“桁架架構”機理。如圖7所示。

圖7 桁架機理

然而按照圖6節(jié)點設計，核心區(qū)混凝土交叉斜裂縫將會大大減少，在相同剪力作用下，有型鋼芯柱設計的節(jié)點，不會被破壞，在逐步對節(jié)點加力后，混凝土斜壓桿抗剪機制被破壞，然而型鋼芯柱又會幫助箍筋和柱縱筋抵抗地震作用力，加強了桁架機構抗剪能力。

5 結(jié)語

對于如何真正意義上做到“強柱弱梁”這一設計理念，還有許多措施有待建筑人繼續(xù)深挖論證。針對核心區(qū)內(nèi)加設型鋼芯柱這一新的構造措施是否可行，還需從結(jié)構安全、抗震性能、經(jīng)濟合理性等諸多方面進行論證研究，也希望能夠從有關模擬試驗中得出結(jié)論。