一种适用于种植大型乔木的梁柱节点在某工程上的应用

苏森林

（广东省建筑设计研究院有限公司 广州510010）

1 工程概况

本建设工程为包括停车楼、综合换乘中心、旅客过夜用房功能的钢筋混凝土框架结构多层建筑。总建筑高度为23.7 m，为地上6 层，地下1 层的建筑，地上建筑面积约89 905 m2。其中，3 层楼面为大面积的室外屋面绿化，覆土厚度为0.5 m，部分框架柱顶区域需种植高7.8 m 的大型乔木，种植乔木相关树池位置要求覆土1.2 m，树池平面尺寸3 m×3 m。

浮萍是单子叶植物纲、浮萍科约30种植物的统称。它们不像常见的花花草草那样长有叶片或茎，浮萍的整个植株都是由小型的叶状体组成的，还有一种叫作“无根萍”的浮萍甚至连根都没有。不过可不要小看它哦！无根萍可拥有一个“世界之最”的头衔呢——世界上已知的最小的种子植物。

近年来，科研人员尝试设计可在眼球玻璃体中运动的纳米机器人，但机器人如何摆脱生物分子黏附，实现在眼球组织内部的相对长距离运动，成为瓶颈问题。

2 种植大型乔木树池的梁柱节点的结构形式

对于传统的使用大型乔木的屋顶绿化工程，以往进行结构设计时，只是单单考虑到由绿化植物及种植土的恒活荷载，并没有从结构的构造型式上给种植的乔木预留种植空间，这种现象使得结构荷载的传递路径不明确，板、梁等构件尺寸过大，整个造价上升［1-3］。由于位于柱顶的树池，考虑覆土厚度要求，结构面需下沉1.2 m，考虑下部楼层的净高要求，使得结构主框架梁在梁端位置的梁高受到严格的限制，若取消框架梁会使得框架柱孤立，影响结构框架整体的性能，若保留框架梁，因梁高受到严格的限制，同时需要承受屋面较大的覆土荷载，框架梁往往需要设置型钢才能满足受力要求，而型钢混凝土梁存在节点复杂、现场施工困难、施工质量难以保证等问题。

对此，本工程根据实际情况提出了一种能够用于种植大型乔木的新型梁柱节点（见图1），在保留双向拉结框架柱的框架梁的基础上，通过在柱头树池区域，增加X 型的斜撑构件，形成锥形柱帽，从结构构件具体构造型式上承受由绿化引起的较大恒活荷载。该梁柱节点，通过形成锥形柱帽，使种植大型乔木的较大荷载直接传递给柱帽，传力路径明确；同时屋面绿化覆土的荷载传递到相邻次梁后，可通过锥形柱帽中的X 型斜撑，将荷载传递给框架柱，从而大大减轻主框架梁承受的竖向荷载，在梁高受限的情况下，使得混凝土构件的性能得到充分的发挥，无需添加型钢构件，大大降低现场施工难度。

图1 梁柱节点的结构形式Fig.1 Structural Form of Beam-Column Joints （mm）

3 种植大型乔木树池的梁柱节点的计算形式

采用非线性有限元分析软件Midas∕FEA 对梁柱节点区域的受力进行计算分析［7-9］（见图5～图6），在“1.3 恒+1.5 活”的工况下，树池节点区域钢筋最大应力为167.5 N∕mm2，大部分钢筋的应力55.5 N∕mm2，远小于三级钢筋的的设计应力。从计算结果看出，本树池梁柱节点充分发挥钢筋混凝土构件的性能，承载力满足要求，受力性能良好。

图2 树池梁柱节点的Midas/Gen模型Fig.2 Midas/Gen Model of Beam-Column Joints

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从分析结果可以看出（见图3～图4），竖向荷载作用为控制工况，在“1.3 恒+1.5 活”的不利工况下，传统布置方式树池四周梁的弯矩存在明显的突变，采用内置X 型斜撑的梁柱节点，树池四周梁的弯矩有效减缓下来，且主框架梁在柱端位置的弯矩减少约30%，大大降低主框架梁承受弯矩，使主框架梁在梁高受限的情况下仍能处于合理配筋率的受力状态，无需配置型钢。

图3 传统布置的计算弯矩Fig.3 Calculation Bending Moment of Traditional Layout

图4 组合形式梁柱节点的计算弯矩Fig.4 Moment of Composite Beam-Column Joints

采用有限元软件Midas∕Gen 和常用设计软件YJK，对上述梁柱节点及传统的结构布置进行受力分析和对比（见图2），模拟在使用阶段的荷载作用下（考虑竖向荷载、地震作用及风荷载）的受力情况［4-6］。

图5 树池梁柱节点的Midas/FEA模型Fig.5 Midas/FEA Model of Beam-Column Joints

图6 树池梁柱节点在正常受力工况下的钢筋应力Fig.6 Reinforcement Stress of Beam-Column Joints under Normal Stress Condition

4 种植大型乔木树池的梁柱节点的优点

本工程采用的种植大型乔木树池的梁柱节点（见图7），从结构构件具体构造型式上考虑由绿化屋面及种植大型乔木引起的较大荷载对整个结构的影响。其通过在树池区域形成锥形柱帽，并在柱帽内设置X 型斜撑构造，在确保构件截面尺寸不变的情况下，显著的提升节点的承载能力、耗能能力和延性以及框架的整体性能，并且通过调整荷载的传递路径，大大减轻主框架梁的受力需求，在截面受限的情况下充分发挥混凝土构件的性能且无需加设型钢构件，相对于型钢混凝土和钢管混凝土节点，其构造更为简单，现场施工也更加方便。在结构工程方面，解决传统钢筋混凝土节点同等条件下承载能力较低的问题，同时解决了钢骨混凝土等新型节点施工困难等问题［10］。防水措施采用种植屋面防水做法，设置耐根穿刺高分子防水卷材，防水层上方依次设置保温层、保护层、过滤层、疏水层后再进行覆土。

图7 树池梁柱节点施工完成Fig.7 Construction Completion of Beam-Column Joints

5 结论

通过上述分析显示，该适用于种植大型乔木的梁柱节点，其受力性能良好，并在本工程的大型种植屋面中成功的运用，取得了较好的效果，该节点充分发挥钢筋混凝土的性能特点，构造简单，方便现场施工，可在其它工程项目上作为参考。