史華燕任曉崧

（同濟大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092）

對鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震設(shè)計的討論

史華燕*任曉崧

（同濟大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092）

強節(jié)點弱構(gòu)件是重要的抗震設(shè)計原則，對于實現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)大震不倒的抗震設(shè)防目標(biāo)意義重大?；仡櫫烁靼嬉?guī)范與節(jié)點抗震設(shè)計相關(guān)的內(nèi)容，利用不同時期建造的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行節(jié)點承載力比較分析，說明了節(jié)點抗震設(shè)計的特點。對于已有框架節(jié)點的抗震加固，建議優(yōu)先選用八角形截面的加大截面處理方法。

鋼混凝土框架，框架節(jié)點，強節(jié)點弱構(gòu)件，抗剪承載力

1 引言

梁、柱是鋼筋混凝土框架的主要受力構(gòu)件，節(jié)點是框架梁柱相交的公共區(qū)域，是框架梁、柱傳遞荷載的樞紐，節(jié)點區(qū)域的示意圖見圖1，若節(jié)點失效意味著與之相連的梁、柱將同時失效。因而，在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中“強節(jié)點”是重要的設(shè)計準(zhǔn)則，有三個方面的含義：一是節(jié)點承載力（主要指受剪承載力）應(yīng)大于其連接的構(gòu)件承載力；二是梁柱縱筋在節(jié)點區(qū)要有可靠的錨固；三是節(jié)點的設(shè)計不應(yīng)使施工困難。

在豎向荷載作用下，梁端承擔(dān)負彎矩和豎向剪力，屬于豎向剪力較大的部位，柱端彎矩和剪力是由梁端彎矩引起的，對于中柱而言，因兩側(cè)梁端彎矩相差不大導(dǎo)致的柱端彎矩和剪力并不明顯；在地震作用下，柱端將承擔(dān)較大的彎矩和水平剪力，屬于水平剪力較大的部位，因柱端彎矩引起梁端兩端的彎矩和剪力反向，梁端彎矩和剪力與豎向荷載作用下的梁端彎矩和剪力同向或反向，在地震作用和豎向作用下框架的彎矩如圖2所示。因而，地震作用將導(dǎo)致梁端、柱端的內(nèi)力，尤其是所受剪力的增加，需要提高其受剪承載力。

圖1 梁柱節(jié)點區(qū)域示意圖Fig.1 The joint of reinforced concrete frame

圖2 框架的彎矩圖Fig.2 Moment of the frame

與梁端、柱端相似，節(jié)點也是剪力較大的部位。在地震作用下，節(jié)點主要承受水平剪力和壓力，其剪力來源于梁柱縱向鋼筋的屈服甚至是超強，對于強柱型節(jié)點，水平剪力主要來自框架梁，也包括一部分現(xiàn)澆板的作用［1］。由梁兩端的反號彎矩引起的節(jié)點核芯區(qū)很大的剪力，使核芯區(qū)混凝土處于剪壓復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 節(jié)點受力狀態(tài)Fig.3 The status of the joint

盡管現(xiàn)行設(shè)計軟件均涉及節(jié)點抗震驗算內(nèi)容，在實際工作中一般多關(guān)注梁、柱端的抗震抗剪驗算，較少涉及節(jié)點抗震驗算，本文對現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中關(guān)于節(jié)點抗震驗算內(nèi)容進行討論。

2 節(jié)點區(qū)域抗震設(shè)計的歷史沿革

對于梁、柱端的抗震設(shè)計，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》各種版本都有規(guī)定，主要包括受剪承載力的驗算、剪壓比的控制驗算和箍筋加密等構(gòu)造措施等，其中構(gòu)件的剪力設(shè)計值根據(jù)不利的荷載布置及工況組合進行結(jié)構(gòu)分析得到，構(gòu)件受剪承載力一般包括混凝土部分、箍筋部分和軸壓力部分等。這里以剪跨比大于2的矩形柱為例，現(xiàn)行規(guī)范考慮地震組合的柱端受剪承載力的驗算和剪壓比驗算的表達式如下：

式中 λ——框架柱、框支柱的計算剪跨比，當(dāng)λ＜1.0時，取1.0，當(dāng)λ＞3.0時，取3.0；

ft——混凝土抗拉強度設(shè)計值；

fc——混凝土抗壓強度設(shè)計值；

Asv——同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面

面積；

s——箍筋間距；

N——考慮地震組合的框架柱、框支柱軸向壓力設(shè)計值，當(dāng)N＞0.3fcA時，取

0.3 fcA；

h0——截面有效高度；rRE——抗震調(diào)整系數(shù)。

節(jié)點的抗震設(shè)計在較早的版本中只涉及了箍筋的構(gòu)造措施，一般按照柱端的要求設(shè)置。1989年版本的抗震規(guī)范［2］在正式提出了結(jié)構(gòu)的抗震等級的同時也首次提出了節(jié)點核心區(qū)組合的剪力設(shè)計值計算公式和節(jié)點抗震受剪承載力計算公式，框架抗震等級按照結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)高度、結(jié)構(gòu)所在地區(qū)的烈度劃分為四級，規(guī)定一、二級框架必須驗算節(jié)點承載力，三、四級框架必須滿足構(gòu)造措施。之后2001年和2010年的版本［3，4］分別對節(jié)點承載力公式進行改進，將三級框架節(jié)點核心區(qū)也納入驗算范圍，再次提高了節(jié)點構(gòu)造措施的要求。關(guān)于節(jié)點抗剪驗算的具體內(nèi)容將在下節(jié)討論。

這里例舉了筆者在已有建筑改擴建工程中所遇到的4個不同年代的框架結(jié)構(gòu)，說明節(jié)點區(qū)域的歷史沿革。

圖4為20世紀(jì)30年代建造的某廠房，原建筑為3層框架式結(jié)構(gòu)，采用英制單位，建筑總高度17.02 m，軸線尺寸為65 m×100 m，柱網(wǎng)尺寸約為5m×6m，柱截面為381mm×508mm、558mm ×558 mm、432 mm×432 mm等，柱箍筋為10 mm和8 mm等，箍筋間距為127 mm和152.4 mm。查閱現(xiàn)存圖紙，柱端箍筋加密長度為100 mm，梁端箍筋分兩部分加密，間距分別為101.6 mm和152.4 mm，梁端采用彎筋，梁頂面未配置通長筋，梁端配筋相對比較復(fù)雜，可見主要是根據(jù)豎向荷載作用下的內(nèi)力進行配筋的，并沒有考慮抗震要求。

圖4 30年代廠房梁端構(gòu)造和平面布置圖Fig.4 The joint and layout of a workshop built in 1930’s

圖5 是20世紀(jì)50年代某辦公樓，平面呈L形，原使用性質(zhì)為辦公建筑，1層裝配框架式結(jié)構(gòu)，采用英制單位。建筑總高度4.5 m，軸線尺寸25.6 m×38 m，柱距為6.7 m，柱截面為381 mm ×381 mm，柱箍筋為8 mm。查閱現(xiàn)存圖紙，部分梁端箍筋適當(dāng)加密，柱箍筋未加密，梁端采用彎起筋，即也未考慮抗震要求。這個工程與前面的工程類似，其梁端的箍筋加密區(qū)基本一致。

圖5 50年代辦公樓梁端節(jié)點構(gòu)造Fig.5 The joint of an office building built in 1950’s

圖6 為20世紀(jì)80年代建造的上海某辦公樓，設(shè)計時無抗震設(shè)防要求，原使用性質(zhì)為辦公建筑，3層框架式結(jié)構(gòu)，總高10.15 m，樓板為預(yù)制板，平面外包尺寸31.44 m×24.24 m，柱網(wǎng)尺寸7.8 m×4 m，柱截面300 mm×300 mm，柱箍筋6 mm。柱端1／5層高范圍內(nèi)箍筋加密，梁端適當(dāng)加密，尚設(shè)彎起筋，配筋歸一化，可見形成了明顯的節(jié)點區(qū)域，圖紙未標(biāo)明節(jié)點區(qū)箍筋配置情況，現(xiàn)場抽樣檢測發(fā)現(xiàn)箍筋配置同柱端。

圖6 80年代辦公樓節(jié)點構(gòu)造及平面布置圖Fig.6 The joint and layout of an building built in 1980’s

圖7 為20世紀(jì)90年代上海某辦公樓加層項目，該建筑原為一層鋼筋混凝土框架式結(jié)構(gòu)，層高3.96 m，加高層數(shù)為1層，總高度為7.66 m，原使用性質(zhì)為辦公建筑，設(shè)計時考慮了抗震要求，軸線尺寸32 m×9.75 m，柱網(wǎng)尺寸4.625 m×9.75 m，柱截面250 mm×350 mm，柱箍筋為8 mm。梁端在1／8跨度范圍內(nèi)箍筋加密，柱端在1／3層高的范圍內(nèi)箍筋加密，不采用彎起筋，這個工程也有明顯的節(jié)點核心區(qū)，節(jié)點內(nèi)部箍筋配置與柱端相同。

圖7 90年代辦公樓節(jié)點構(gòu)造及平面布置圖Fig.7 The joint and layout of an building built in 1990’s

從這4個工程可見節(jié)點區(qū)域的歷史沿革，早期以梁端彎起鋼筋抗剪為主，端部無箍筋加密，主要是考慮豎向荷載的影響，并未考慮抗震設(shè)計的要求，而后發(fā)展到以箍筋抗剪為主和梁柱端箍筋加密，即已考慮了抗震設(shè)計的要求，再發(fā)展到設(shè)置單獨的節(jié)點核心區(qū)，節(jié)點抗剪一般沿用柱端的配箍情況。

這4個工程均在2010版抗震規(guī)范頒布前進行改擴建，必須考慮結(jié)構(gòu)抗震加固。前3個工程在原設(shè)計時均未考慮抗震設(shè)計，抗震能力不足，通過驗算發(fā)現(xiàn)其梁端滿足剪壓比要求，部分柱端剪壓比未滿足要求且其抗剪承載力不足，第4個工程其柱端、梁端盡管滿足剪壓比驗算要求，也進行過抗震設(shè)計，但其柱端梁端抗剪承載力和箍筋構(gòu)造不滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)程》對4個工程均采用外粘U形箍和外包角鋼的加固方法，如圖8所示，可見節(jié)點的形態(tài)復(fù)雜，梁、柱端部加固用黏貼箍板都無法延伸到節(jié)點處。

圖8 梁外粘U形箍、柱外包角鋼加固Fig.8 Retrofit by U shape steel plate and angle iron

3 節(jié)點抗剪驗算的具體規(guī)定

現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范對于節(jié)點抗剪驗算包括承載力和剪壓比等，與柱端的驗算基本內(nèi)容相似，具體規(guī)定如下：

式中 ηj——正交梁的約束影響系數(shù)；樓板為現(xiàn)澆、梁柱中線重合、四側(cè)各梁截面寬度不小于該側(cè)柱截面寬度的1／2，且正交方向梁高度不小于框架梁高度的3／4時，可采用1.5，9度的一級宜采用1.25；其他情況均可采用1.0；bj——節(jié)點核芯區(qū)的截面驗算寬度；bc——驗算方向的柱截面寬度；

hj——節(jié)點核芯區(qū)的截面高度，可采用驗

算方向的柱截面高度；

hb0——梁截面有效高度，節(jié)點兩側(cè)梁截面

高度不等時可采用平均值；

a′s——梁受壓鋼筋合力點至受壓邊緣的距離。

式（3）、式（4）與式（1）、式（2）相似，即節(jié)點的抗震驗算表達式與柱端表達式相似?，F(xiàn)行的抗震設(shè)計規(guī)范對節(jié)點承載力驗算公式作了一些改進，包括限定了正交梁影響、采用了混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值和適當(dāng)減少了軸壓比的影響等［5，6］，其中箍筋部分的承載力部分基本維持原算法，總體而言變化相對不大；節(jié)點剪壓比的計算和柱端、梁端的計算方法類似，考慮了正交梁的有利影響。

對于節(jié)點剪力的設(shè)計值，規(guī)范規(guī)定如下：

一般情況下，梁端彎矩取設(shè)計值，但應(yīng)乘以強節(jié)點系數(shù)。對于9度時其取值應(yīng)為梁端按實際配筋求出的抗彎承載力。

式（5）右半部分的兩項分別表示由梁端彎矩引起的虛擬柱端剪力Vc′和柱子剪力Vc（圖9），即得到的節(jié)點剪力為虛擬節(jié)點剪力，并非真實的節(jié)點剪力。

圖9 節(jié)點剪力的設(shè)計值Fig.9 Design value of joint shear

在計算假定中，沒有考慮梁端豎向剪力所抵消的梁端彎矩，可能會導(dǎo)致節(jié)點剪力偏大。如果以梁高為層高的1／5考慮，并假設(shè)豎向重力荷載下梁端彎矩的平衡，節(jié)點剪力的計算數(shù)值可能達到柱端剪力的5倍，明顯不合理，所導(dǎo)致的問題是剪壓比與承載力方面的要求在名義上有所放松，實際上更為嚴(yán)格。這里以上面所述80年代和90年代辦公樓框架為例加以說明。

表1 框架節(jié)點和柱端剪力Table 1 The shear force and capacity of joint and column

4 箍筋對節(jié)點受剪承載力的影響

從式（3）可見，節(jié)點的受剪承載力包括混凝土部分、箍筋部分和軸壓力部分等，其中節(jié)點豎向軸壓力的影響相對較小，混凝土部分的承載力因剪壓比限制所占部分變化不大，即在柱端剪力能夠滿足要求的情況下，要增加節(jié)點的受剪承載力只能依靠增加箍筋配置量來解決，且箍筋對節(jié)點承載力的貢獻比較大。但增加箍筋量可能會增加施工的困難，這和強節(jié)點原則的第三個要求不一致。

這里以上面所述4個工程為例加以說明。

80年代、90年代的辦公樓的部分框架節(jié)點和柱端抗剪承載力明顯不足。其節(jié)點不足的原因主要是抗震等級為三級，當(dāng)時沒有被納入節(jié)點核心區(qū)的驗算范圍，只進行了構(gòu)造措施的加強。柱端加固采用外包角鋼及鋼板的方法，即增加“箍筋”以提高抗剪承載力。但該方法正如前文所述無法涉及節(jié)點。30年代的廠房和50年代的辦公樓是裝配式結(jié)構(gòu)，且年代較早，當(dāng)時并無抗震規(guī)范可循，其梁柱構(gòu)件連接處是加固重點。由于有預(yù)制樓板的阻礙和鋼筋錨固的要求使節(jié)點的加固更加復(fù)雜。梁一般用粘貼高強度碳纖維布或U形箍來增加梁的配箍率，此種方法也無法涉及節(jié)點。

若僅僅增加節(jié)點的箍筋則會增加節(jié)點的鋼筋量，不利于混凝土的澆筑?，F(xiàn)行的規(guī)范中并無特別有效的節(jié)點加固方法。

5 加大截面增加節(jié)點抗震能力

表1中還可看出，柱端采用黏貼箍板的加固方法后，其抗剪承載力可滿足要求，但節(jié)點的抗剪承載力仍無法滿足。節(jié)點承載力的計算值是基于節(jié)點增加的箍筋構(gòu)造相當(dāng)于柱端增加的箍板的構(gòu)造。

目前對節(jié)點的加固研究都還停留在框架平面內(nèi)，忽視了已有框架節(jié)點的形狀復(fù)雜性［7］。根據(jù)上面的討論可知，節(jié)點內(nèi)箍筋量對節(jié)點承載力的影響較大，而增加箍筋量可能帶來施工困難，加大截面是增加節(jié)點抗震能力的有效方法，對于已有節(jié)點加固這是優(yōu)先選擇方案。

對既有框架結(jié)構(gòu)，特別是年代較早、節(jié)點內(nèi)部的構(gòu)造措施比較弱、當(dāng)時的抗震等級為三級的，其節(jié)點的抗震承載力很可能無法滿足要求。這在上面的工程例子中可見。

本文建議優(yōu)先采用八角形截面的加大截面加固方法，如圖10所示，與傳統(tǒng)的加大截面相比，該方法的優(yōu)點在于：一是箍筋穿過節(jié)點四周的梁形成封閉形式，從而增加配箍量；二是不必另外增加縱筋，解決了傳統(tǒng)加固中的新加縱筋或型鋼穿過樓板時的施工困難。

圖10 八角形加大節(jié)點截面法Fig.10 Retrofitmethod of octagon section

加固時，新增混凝土厚度不小于60 mm［8］，新增箍筋直徑不小于6 mm。原柱的保護層和加固部位涉及的樓板混凝土打掉后，將新增箍筋與柱縱筋連接在一起，再澆筑新混凝土，若樓板為預(yù)制板則先進行切割。新舊混凝土的連接面要處理到位，否則新混凝土粘不牢，不能共同工作。新增箍筋穿越梁截面搭接部位放在梁外，且箍筋與梁之間用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)牢固。

加固后仍舊按照抗震規(guī)范的節(jié)點抗剪承載力公式計算，按取新增的箍筋總截面面積和原截面進行強度復(fù)核即可。視增加的箍筋量，節(jié)點抗剪承載力提高程度可達到30%～50%。

6 結(jié) 語

強節(jié)點是實現(xiàn)大震不倒目標(biāo)的重要原則，現(xiàn)行規(guī)范對于節(jié)點剪力的計算可能偏大，可以適當(dāng)考慮梁端剪力對所產(chǎn)生抵抗彎矩的影響。根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范，節(jié)點受剪承載力包括混凝土部分、箍筋部分和軸壓力影響三部分，如增加箍筋增加施工困難，增大截面是有效的處理方法，對于已有結(jié)構(gòu)的節(jié)點抗震加固，則可以采用八角形截面的加大截面處理方法。

［1］ 呂西林，周德源，李思明，等.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論與實例［M］.3版.上海：同濟大學(xué)出版社，2011.Lu Xilin，Zhou Deyuan，Li Siming，et al.Structural seismic design theory and instances［M］.3rd Edition.Shanghai：Tongji University Press，2011.（in Chinese）

［2］ 中華人民共和國原城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護部.GBJ 11—89建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GBJ 11—89 Code for seismic design of buildings［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，1990.（in Chinese）

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2010.（in Chinese）

［4］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011—2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50011—2001 Code for seismic design of buildings［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2001.（in Chinese）

［5］ 閻石，鄭文泉，張曰果.高強鋼筋高強混凝土框架梁柱節(jié)點抗震性能試驗研究［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，22（2）：199-203.Yan Shi，Zheng Wenquan，Zhang Yueguo.An experimental study on seismic behaviors of HRC frame joints reinforced with high-strength rebars［J］.Journal of Shenyang Jianzhu University（Natural Science），2006，22（2）：199-203.（in Chinese）

［6］ 傅劍平.鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震性能與設(shè)計方法研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2002.Fu Jianping.Seismic behaviour and design of joints in a reinforced conerete frame［D］.Chongqing：Chongqing University，2002.（in Chinese）

［7］ 金國芳，李視令，李思明.框架節(jié)點加固的抗震性能試驗研究［J］.工程抗震，2000，1：14-17.Jin Guofang，Li Shiling，Li Siming.The study on response of the strengthened joints and the seismic behavior［J］.Earthquake Resistant Engineering，2000，1：14-17.（in Chinese）

［8］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50367—2006混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50367—2006 Design code for strengthening concrete structure［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2006.（in Chinese）

Discussion on Seism ic Design of Reinforced Concrete Frame Joints

SHIHuayan*REN Xiaosong
（Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji University，Shanghai200092，China）

“Strong-joint and weak-member”is an important principle in structural seismic design for the purpose of preventing collapse undermajor earthquakes.This paper reviewed the terms related to seismic design of the joint in the different editions of Chinese seismic design codes.Comparative analyseswere conducted for engineering cases in different periods to demonstrate the joint seismic design.It is suggested to enlarge the section of joint in the seismic retrofit of reinforced concrete frames.

reinforced concrete frame，beam-column joint，strong-joint and weak-member，seismic shear capacity

2013-06-15

*聯(lián)系作者，Email：807996176＠qq.com