梁柱抗震節點核心區內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構中，梁柱交接處，也就是核心節點區，是框架結構抗震最為重要的部分。傳統的設計方法一般是采取提高核心區混凝土強度、加密加粗核心區箍筋、減少偏向影響等措施。但大量的施工經驗表明，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加固措施尤為重要。

1 地震對框架結構柱梁節點的破壞分析

1.1 地震對建筑物傳力的原理分析

針對地震現象，科學家及建筑工程師們經過大量的破壞模擬震動平臺試驗及力學機理計算總結，認為地震對建筑物的破壞主要是地震波動激發的，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生的混合波動，從專業角度看，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、巖層的結構和深度、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。當地震產生的加速度較小或者地質結構堅實時，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局部下沉開裂。

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

3）橫波導致的破壞。橫波會對建筑物產生水平晃動，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，很容易因這種扭轉力產生破壞。

5）地震力疊加作用產生的破壞。豎、橫向地震力和旋轉地震力在離震中較近的范圍內，往往會有疊加作用，對建筑物產生毀滅性的破壞。在混凝土框架主體結構抗震設計時，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”結構夾雜其中。當地震作用時，弱柱節點會先行破壞。綜上分析，地震對建筑物的破壞多集中在柱梁節點處。

2 “強柱弱梁”節點實景分析

“強柱弱梁”是從抗震角度總結出的結構設計概念。通俗地講，框架結構中框架柱承載能力強于框架梁。當地震來臨時，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構和框剪結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，現實中還有相當一部分建筑沒有真正做到“強柱弱梁”，導致節點先于梁端產生破壞，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

根據對大量的地震事實及研究資料分析，地震產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《建筑抗震設計規范》中要求在結構設計時，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（規范規定為9度及以上）[1]。

3 核心區節點傳統構造設計方案利弊分析

根據影響核心區節點原因分析結果，一般設計師采用“抗、放、轉”等幾種原則進行設計。提高節點區混凝土強度是“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 優點

大量試驗及地震資料證明，提高節點混凝土強度在地震來臨時會大幅度提高核心區水平抗剪承載力，該構造簡單直接，對結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點構造要求，易造成節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混凝土強度，一般在設計節點構造時，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，梁柱節點處的剪切過大，節點先被破壞，形成整體倒塌。施工現場節點處理措施如圖4所示。

圖4 梁柱節點處理

3）鋼絲網攔截處極易張開，使得高強度混凝土流入梁內。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，使梁內出現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]?？墒窃趯嶋H施工時，往往由于組織協調、混凝土站供料、市區內交通不便等原因滿足不了上述要求，在鋼絲網處形成了一道夾層，即冷縫，對于梁而言，該處受力極為不利。

5）核心區混凝土強度越小，節點的延性越好，脆性也就越??；反之，節點的延性就越差。設計人員為提高該節點混凝土的延性，還要采取必要的結構構造措施來約束節點混凝土，結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 核心區節點新構造措施理論分析

4.1 從核心區受力驗算分析

目前，我國關于框架核心區抗剪力設計方法主要依據抗剪承載力試驗結果建立，并結合地震資料總結出設計公式。

根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》，以9度設防烈度的一級抗震等級框架為例，從規范中11.6.4-1公式可以直觀看出，核心區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，核心區抗剪承載力在條件相同的情況下，核心區混凝土的抗壓強度設計值與箍筋肢數的全部截面積有著至關重要的聯系。

再根據規范中6.6.4-3公式可以看出，核心區抵抗地震剪力是由核心區鋼筋抗剪承載力、混凝土抗剪承載力以及框架柱內型鋼的抗剪承載力相加得出的。具體而言，核心區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點區內加設型鋼柱（僅在核心區加設一段型鋼）可以降低核心區混凝土強度，以及減少核心區箍筋數量。

4.2 從框架梁、柱節點抗震機理分析

4.2.1 斜壓桿機理

經過學術界的研究資料分析，核心區混凝土表面產生變形裂縫前，節點正處于彈性階段，核心區各肢箍筋應力較小，大部分應力由混凝土抵抗。梁端和柱端受壓區混凝土在平衡梁、柱截面的剪力后，在節點核心區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，而核心區結構沒有被地震力破壞的情況。當節點核心區箍筋規格及肢數設計較少時，節點核心區的混凝土成了主要承擔地震力的措施。隨著地震力的作用，核心區逐漸加大受力，即使核心區表面沒有開裂，但內部已經出現了變形裂縫，即形成許多斜壓桿件。

假如在柱中核心區域設型鋼芯柱，如圖6所示。

圖6 核心區節點處加設型鋼芯柱

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裂縫。

4.2.2 桁架機理

貫穿核心區的框架梁主筋和框架柱主筋，在核心區所受各種力的聯合作用下，將大部分力經過黏結效應原理，以剪力流的方式傳入節點，使節點核心處在純粹剪力情況下。假設節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節點設計，核心區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點，不會被破壞，在逐步對節點加力后，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深挖論證。針對核心區內加設型鋼芯柱這一新的構造措施是否可行，還需從結構安全、抗震性能、經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論。