多层建筑框架结构梁柱节点施工质量控制研究

师民勤（山西宏厦建筑工程第三有限公司，山西 阳泉 045000）

钢筋混凝土结构由于其具有高承载性能、低变形能力、良好的耐火性能和耐久性能、材料易取得和可塑性强等优点，在土木工程领域得到了广泛应用[1]。钢筋混凝土梁柱节点是框架结构的重要核心部位，也是整个结构体系的受力传递点和各个专项工程交汇施工的核心。梁柱节点的施工质量直接关系整个结构的安全稳定。钢筋混凝土梁柱节点是施工质量控制的薄弱环节，节点处构造复杂、模板架设困难、钢筋密集、混凝土难以浇筑，导致节点极易发生空洞、开裂、不密实、钢筋锚固不足等质量缺陷，削弱了框架节点的承载能力[2-3]。特别是在地震荷载作用下，梁柱节点的施工质量极易使得结构出现剪切破坏，会导致建筑物倒塌[4]。因此，研究钢筋混凝土框架结构梁柱节点的施工质量日益受到关注，成为结构工程领域的研究热点。

1 工程概况

山西省阳泉市某多层钢筋混凝土办公楼建筑总建筑面积为6600m2，建筑地上结构6层，地下1层，结构体系采用框架结构形式，结构总高度19m，首层结构4m，其余楼层高度3m。建筑平面大致呈矩形，长度方向50m，宽度方向22m，长度方向柱间距6m，宽度方向柱间距3m。混凝土柱采用方形截面，柱边长450mm，采用C40 混凝土浇筑，角部钢筋4Φ25mm，宽度方向一侧2Φ25mm，高 度 方 向 一 侧3Φ25mm，箍 筋8mm@100mm/250mm；主梁截面350mm×600mm，次梁截面250mm×350mm，主梁和次梁均采用C35混凝土浇筑，梁上部纵筋5Φ25mm（3/2），下部纵筋5Φ25mm，箍筋Φ8mm@100mm/200mm；梁柱节点采用强节点设计，节点由C45 混凝土浇筑；楼板厚度120mm，采用C30 混凝土浇筑，其余混凝土结构的混凝土等级为C25。结构主钢筋均采用HRB400钢，结构框架抗震等级为3级。

2 框架结构施工质量问题对节点性能的影响

2.1 框架结构节点数值模型的建立

节点的施工质量对其受力过程和破坏形态产生了重大影响。目前，有关节点受力机理的研究众多，较为广泛接受的节点受力机理主要有斜压杆机理、剪摩擦机理和桁架机理[5-7]。为了研究框架结构节点施工质量问题对节点性能的影响，运用数模模拟手段建立梁柱节点三维模型，分析节点存在施工缺陷条件下的受力和变形，数值模拟程序采用ABAQUS 有限元软件进行计算。模拟中选取主梁与柱的节点进行分析，梁体和柱体混凝土采用损伤塑性本构模型，模拟混凝土在产生损伤或断裂条件下受单调、循环或动力作用的力学行为，钢筋结构采用完全弹塑性加硬化的三折线模型，用于模拟钢筋在屈服和强化后的应力和应变，其本构关系见式（1）～式（4）[8-9]。

当εs≤εy且εs≤εy≤εsh时：

当εsh≤εy≤εsu时：

式中Es-钢筋的弹性模量，MPa；

fy-钢筋抗拉强度的设计值，MPa；

εs-钢筋弹性应变；

εy-钢筋屈服应变；

εsh-钢筋应力强化点应变；

εsu-钢筋极限拉应变；

σs-钢筋的应力，MPa；

θ-应力应变斜率夹角，°。

计算时，混凝土材料的物理力学指标见表1。钢筋的弹性模量取2×105N/mm2，泊松比取0.3，抗拉强度设计值取360N/mm2。建立的框架结构梁柱节点混凝土和钢筋三维模型如图1所示，模型中柱子下端边界均为固定边界，柱子上端y 方向的平动位移和转动均自由，其余方向的位移和转角均为固定边界，主梁前端的位移边界均为固定边界。

表1 混凝土材料数值模拟计算的物理力学指标取值

图1 框架结构梁柱节点混凝土和钢筋三维模型

2.2 框架结构节点数值模拟结果分析

为了模拟施工质量缺陷对节点性能的力学和变形的影响，计算设置了两种不同的计算工况，分别是工况A：梁柱节点质量良好；工况B：梁柱节点的施工质量缺陷。施工质量缺陷通过对节点位置处的混凝土弹性模量进行折算实现，折算比值为0.3。图2为不同工况条件下梁柱节点位置混凝土结构和钢筋结构的应力云图计算结果。

图2 不同工况条件下梁柱节点位置混凝土结构和钢筋结构的应力分布图

由图2可知，工况A 条件下，混凝土结构的应力主要集中在节点交接处，其次在柱体内侧受压区域也存在较大的应力，整体应力沿着梁柱内角分布，在节点交接处可以看出斜向的剪切应力；钢筋的应力主要集中在节点交接处，梁体上部主钢筋位置和柱体外部受拉区域的应力也较大，由于混凝土受力导致的横向弯曲变形，使得梁柱交接处的应力明显大于其他位置。梁柱节点在破坏前，由于梁柱节点的施工质量良好，节点位置处的钢筋分担了一部分斜向的剪应力，并且提高了混凝土的斜向压力，使得节点混凝土在压碎破坏前，梁柱钢筋先达到屈服，整个受力过程属于正常的压剪破坏；工况B条件下，混凝土的应力也主要集中在梁体下部受拉区域和柱体内侧受压区域，节点交接处应力较大，但节点交接处斜向的剪切应力分布明细减弱；钢筋的应力主要集中在节点交接处，梁体上部主钢筋位置和柱体外部受拉区域的应力也较大，梁体下部的应力集中范围明显比工况A大，使得工况B的抗剪承载力远小于工况A，工况B的柱体在剪切破坏时在节点处呈现明显的错动，核心区也先于工况A产生剪切破坏。

图3为不同工况条件下梁柱节点位置混凝土结构的位移云图计算结果。

图3 不同工况条件下梁柱节点位置混凝土结构应变分布图

由图3可知，工况A 条件下，梁柱节点交接处的塑性变形大致呈正方形，且塑性变形值较为相近，而梁体中的塑性变形在梁高方向也大致分布均匀，塑性变形范围大致为2 倍梁高；工况B 条件下，梁柱节点交接处的塑性变形也大致呈正方形，但其塑性变形值在正方形中部呈现明显的突变，为结构缺陷导致混凝土受钢筋的约束效应失效，而梁体中的塑性变形在梁高方向上的分布不均，表现为梁体上部大、下部小，极易产生受压区混凝土拉裂破坏。

3 钢筋混凝土框架结构节点施工质量控制

为改善多层结构框架结构梁柱节点的施工质量，提出以下施工质量控制方法。

3.1 改进梁柱节点模板为定型模板

传统的梁柱节点采用拼接方式进行，由于节点的立面较多，导致模板存在较多的拼接缝，漏浆现象凸显。为此，可以改变节点处的模板支撑方式和组装方式，将其变为定型模板，并利用水平柱箍进行固定，提高模板的稳定性，减小拼接缝。

3.2 改变梁柱节点箍筋的绑扎方式

由于梁柱节点位置处的钢筋众多，箍筋绑扎质量低下是影响施工质量的主要原因之一。特别是在边柱核心区，箍筋后穿梁体纵向钢筋尤为困难，为此，可以使用柱箍筋筒和使用U型箍的方式，提高绑扎效率和绑扎质量。

3.3 防止柱筋发生位移

柱子钢筋在绑扎阶段为竖向构件，在无支持条件下容易产生位移，使得柱子的钢筋间距发生改变，影响混凝土的浇筑，为此，可以在柱子主筋中采取加焊撑筋和加设模板的方式提高钢筋的整体刚度，防止钢筋变形和混凝土浇筑时对钢筋的挤压。

3.4 改进节点核心区混凝土浇筑方式

梁柱节点处钢筋密集，在浇筑混凝土前有必要对钢筋密集的节点进行排查，必要时可以在绑扎钢筋时绑入钢管，提高钢筋的抗振能力，避免振捣时引发钢筋移位，并配合使用小型振捣器，加强复杂核心区域的振捣，振捣棒从柱体的底部一直边振边拔，直到振捣密实。梁柱混凝土标号不一致的节点，可以使用塑料网将界面隔开避免混凝土的混合。

4 结语

以山西省阳泉市某多层钢筋混凝土办公楼建筑为研究对象，运用数值模拟的方法，建立了框架结构梁柱节点三维数值模型，分析结构的应力和应变规律，并提出相应的施工质量控制措施，得到以下结论：

（1）工况A和工况B的应力分布均主要集中在节点交接位置以及梁体下部和柱体内侧，但存在施工缺陷的工况B，梁体下部的应力集中范围明显大于工况A，抗剪承载力明显下降。

（2）工况A和工况B在梁柱节点交接处的塑性变形均呈正方形，但工况A 的塑性变形值较为相近，工况B的塑性变形值在正方形中部呈现明显的突变；工况A在梁体中的塑性变形分布均匀，而工况B 则表现为梁体上部变形大、下部变形小。

（3）针对框架结构梁柱节点的施工质量问题，提出了梁柱节点模具改进、梁柱节点箍筋安装改进、梁柱节点钢筋锚固与搭接方式改进、节点核心区混凝土浇筑改进共四项施工措施，有效提高了节点混凝土的密实度和均匀性。