梁柱抗震节点核心区内加设型钢芯柱的新构造措施

刘训臣

中国建筑第二工程局有限公司 山东 烟台 264000

在钢筋混凝土框架结构中，梁柱交接处，也就是核心节点区，是框架结构抗震最为重要的部分。传统的设计方法一般是采取提高核心区混凝土强度、加密加粗核心区箍筋、减少偏向影响等措施。但大量的施工经验表明，当框架柱混凝土强度高于框架梁混凝土强度时，很难完全保证所有的核心区混凝土达到设计要求。为此，从地震原理和抗震原理方面进行分析，寻求更为可靠的核心区加固措施尤为重要。

1 地震对框架结构柱梁节点的破坏分析

1.1 地震对建筑物传力的原理分析

针对地震现象，科学家及建筑工程师们经过大量的破坏模拟震动平台试验及力学机理计算总结，认为地震对建筑物的破坏主要是地震波动激发的，如图1所示，地震波主要分为3种，分别为纵波、横波和面波。

图1 地震波示意

通俗地讲，纵波会使地面上下振动从而使得地面建筑物上下晃动；横波会使地面建筑物前后、左右晃动，对建筑物而言，对其产生破坏的主要是水平剪切力；面波则是纵波和横波在地球表面相遇后产生的混合波动，从专业角度看，面波又分为2种形式，即瑞利波和勒夫波。面波综合横波和纵波的特性，既可引起地表面上下波动，也能对地面做横向剪切，而剪切力对建筑物本身的破坏最为严重。由此可见，面波对建筑物的破坏最为严重，也是当今科学家及工程师们主要的研究对象之一。

1.2 地震对房屋破坏的形式分析

从力学角度分析，不管什么样结构形式的建筑物都有一定的刚度，以抵抗外力作用引起的形变。地震产生的能量通过基础下岩层传递给基础，使得建筑物本身振动变形。通常情况下，建筑物的荷载取值都是按静力设计的，很少考虑外力的影响。当振动的强度超过建筑自身的形变能力时，就会产生破坏。地震对建筑的破坏形式分为以下几种。

1）地基基础的破坏。建筑物基础下的土质、岩层的结构和深度、基础的类型和深度以及地表的地形、特征等都会对建筑物的地震破坏有一定的影响。当地震产生的加速度较小或者地质结构坚实时，地表层或垫层可能会先达到屈服点，对地基岩石、土层造成影响，导致地基下部土质液化，引起建筑物的下沉和倾斜，这在地震灾害中较为常见。在现代建筑设计中，尤其是高层建筑，大多采用筏板基础或箱筏基础来抵抗地震可能造成的地质局部下沉开裂。

2）纵波导致的破坏。纵波对建筑物产生竖向振动，会使底层墙、柱瞬间附加很大的动荷载，由于上部结构的自重较大，故底部地震力和结构自重力形成强大碰撞，从而导致结构产生严重破坏。

3）横波导致的破坏。横波会对建筑物产生水平晃动，破坏力强。它相当于给建筑物施加水平方向上反复的作用力，大小以及产生的形变超出底部墙、柱的极限时，就会使建筑物倾斜、倾倒，从而导致建筑物破坏。

4）综合地震力导致的破坏。由各种原因产生的综合地震力，致使建筑物绕水平方向和竖直方向同时受到地震力的作用，这种情况对建筑物的影响很大，因为建筑物一般抵抗扭矩性能差，很容易因这种扭转力产生破坏。

5）地震力叠加作用产生的破坏。竖、横向地震力和旋转地震力在离震中较近的范围内，往往会有叠加作用，对建筑物产生毁灭性的破坏。在混凝土框架主体结构抗震设计时，工程人对“强柱弱梁”的意识有所提高，但在施工过程中不能避免“弱柱”结构夹杂其中。当地震作用时，弱柱节点会先行破坏。综上分析，地震对建筑物的破坏多集中在柱梁节点处。

2 “强柱弱梁”节点实景分析

“强柱弱梁”是从抗震角度总结出的结构设计概念。通俗地讲，框架结构中框架柱承载能力强于框架梁。当地震来临时，框架梁先被破坏，以保证框架柱整体完好，属于局部破坏，如图2所示。

图2 “强柱弱梁”抗震效果实景

从专业角度分析，通过一些有效的施工措施及设计手段引导框架结构和框剪结构在地震力破坏时形成梁端铰支座连接，框架梁两端先形成塑性变形，从而使梁先被破坏。

然而通过地震资料来看，现实中还有相当一部分建筑没有真正做到“强柱弱梁”，导致节点先于梁端产生破坏，图3为典型的“强梁弱柱”形式。假如稍有余震就会造成该建筑物整体坍塌。

图3 “强梁弱柱”抗震效果实景

根据对大量的地震事实及研究资料分析，地震产生的水平波动是造成建筑物破坏最主要的原因。因此，国家标准GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中要求在结构设计时，在两个主轴方向上应验算水平地震力。当然，对于设防烈度有更高要求的高层建筑，应验算竖向地震力（规范规定为9度及以上）[1]。

3 核心区节点传统构造设计方案利弊分析

根据影响核心区节点原因分析结果，一般设计师采用“抗、放、转”等几种原则进行设计。提高节点区混凝土强度是“抗”这种大原则中的一种，已普遍应用在工程实体中，本文重点分析该措施的利与弊。

3.1 优点

大量试验及地震资料证明，提高节点混凝土强度在地震来临时会大幅度提高核心区水平抗剪承载力，该构造简单直接，对结构设计师而言比较容易计算、深化。

3.2 缺点

1）当前的施工工艺难以完全满足设计节点构造要求，易造成节点高强度混凝土不能浇筑到上一层柱根部，从而形成低强度混凝土夹层。

2）为保证整个框架柱核心区混凝土强度，一般在设计节点构造时，高标号混凝土会延伸到周边梁端500～1 000 mm处，造成梁端刚度过大，在地震来临时，梁柱交接处不能立即形成塑性铰，即形成所谓的“强梁弱柱”构造，框架柱首先倒塌破坏，致使框架梁破坏较轻，梁柱节点处的剪切过大，节点先被破坏，形成整体倒塌。施工现场节点处理措施如图4所示。

图4 梁柱节点处理

3）钢丝网拦截处极易张开，使得高强度混凝土流入梁内。原设计配筋率只能满足低强度混凝土的收缩，满足不了高强度混凝土的收缩，使梁内出现不同程度的收缩裂缝。

4）正常情况是先浇筑高强度混凝土，在达到初凝时间前浇筑低强度混凝土，这是为了保证高强度混凝土能够满足设计要求[2]。可是在实际施工时，往往由于组织协调、混凝土站供料、市区内交通不便等原因满足不了上述要求，在钢丝网处形成了一道夹层，即冷缝，对于梁而言，该处受力极为不利。

5）核心区混凝土强度越小，节点的延性越好，脆性也就越小；反之，节点的延性就越差。设计人员为提高该节点混凝土的延性，还要采取必要的结构构造措施来约束节点混凝土，结构构造措施通常都会增加大量的构造钢筋，造成工程成本增加。

4 核心区节点新构造措施理论分析

4.1 从核心区受力验算分析

目前，我国关于框架核心区抗剪力设计方法主要依据抗剪承载力试验结果建立，并结合地震资料总结出设计公式。

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》，以9度设防烈度的一级抗震等级框架为例，从规范中11.6.4-1公式可以直观看出，核心区抗剪承载力是由混凝土抗剪承载力值和钢筋抗剪承载力值相加得出的。具体而言，核心区抗剪承载力在条件相同的情况下，核心区混凝土的抗压强度设计值与箍筋肢数的全部截面积有着至关重要的联系。

再根据规范中6.6.4-3公式可以看出，核心区抵抗地震剪力是由核心区钢筋抗剪承载力、混凝土抗剪承载力以及框架柱内型钢的抗剪承载力相加得出的。具体而言，核心区抗剪承载力在条件相同的情况下，与混凝土抗压强度设计值、箍筋各肢的全部截面积和型钢柱尺寸有直接关系。

从两个规范公式分析，假设相同的抗震条件下，即抗剪承载力值相同的情况下，在普通的钢筋混凝土框架核心节点区内加设型钢柱（仅在核心区加设一段型钢）可以降低核心区混凝土强度，以及减少核心区箍筋数量。

4.2 从框架梁、柱节点抗震机理分析

4.2.1 斜压杆机理

经过学术界的研究资料分析，核心区混凝土表面产生变形裂缝前，节点正处于弹性阶段，核心区各肢箍筋应力较小，大部分应力由混凝土抵抗。梁端和柱端受压区混凝土在平衡梁、柱截面的剪力后，在节点核心区对角线位置形成了有一定比例宽度的混凝土斜向压应力带，这就是核心区斜压杆机理，如图5所示。

图5 斜压杆机理

斜压杆机理适用于框架梁、框架柱的承载能力相对比较弱，在地震力作用下，主框架首先被破坏，而核心区结构没有被地震力破坏的情况。当节点核心区箍筋规格及肢数设计较少时，节点核心区的混凝土成了主要承担地震力的措施。随着地震力的作用，核心区逐渐加大受力，即使核心区表面没有开裂，但内部已经出现了变形裂缝，即形成许多斜压杆件。

假如在柱中核心区域设型钢芯柱，如图6所示。

图6 核心区节点处加设型钢芯柱

从理论上可以认为斜压应力带将会增宽，从而使混凝土能够抵抗更大的剪力而不出现裂缝。

4.2.2 桁架机理

贯穿核心区的框架梁主筋和框架柱主筋，在核心区所受各种力的联合作用下，将大部分力经过黏结效应原理，以剪力流的方式传入节点，使节点核心处在纯粹剪力情况下。假设节点处所有纵向受力钢筋及箍筋的握裹力都相对均匀地承受，从一端承受拉力的形式，传递到另一端变成承受压力的形式，随着地震力的反复作用，在斜向主压应力的作用下，核心区的混凝土被许多条交叉的斜向变形裂缝切割成许多个相对平行的斜向压杆，混凝土的斜压杆抵抗水平剪力的机制渐渐被削弱，主要的拉应力将由节点箍筋箍肢以及框架柱排列的纵向主筋承担，就形成了“桁架架构”机理。如图7所示。

图7 桁架机理

然而按照图6节点设计，核心区混凝土交叉斜裂缝将会大大减少，在相同剪力作用下，有型钢芯柱设计的节点，不会被破坏，在逐步对节点加力后，混凝土斜压杆抗剪机制被破坏，然而型钢芯柱又会帮助箍筋和柱纵筋抵抗地震作用力，加强了桁架机构抗剪能力。

5 结语

对于如何真正意义上做到“强柱弱梁”这一设计理念，还有许多措施有待建筑人继续深挖论证。针对核心区内加设型钢芯柱这一新的构造措施是否可行，还需从结构安全、抗震性能、经济合理性等诸多方面进行论证研究，也希望能够从有关模拟试验中得出结论。