高层建筑钢筋混凝土框架梁柱节点分析与施工

【摘 要】 高层建筑框架梁柱节点混凝土强度等级不同是施工中常遇到的问题,也是长期困扰着设计和施工人员的一个问题。本文根据施工实践和验算而总结出几点简易处理方法,希望能为设计及施工同行提供借鉴。

【关键词】 框架结构;梁柱节点;核心区;混凝土强度;施工缝

【中图分类号】 TU973.2 【文献标识码】 A【文章编号】 1727-5123(2009)02-010-02

High building reinforced concrete frame beam joint analysis and construction

【Abstract】 Beam-column joints of high-rise building the framework of different strength grade of concrete is often encountered in construction, but also long-standing members of the design and construction of a problem. In this paper, and checked in accordance with the construction practice and summed up a few simple approach, hoping for the design and construction of reference peers.

【Key words】 Frame structure;Beam-column joints;Important regional;Concrete Strength;Construction joints

现浇高层钢筋混凝土框架结构中,常有基础、柱、梁板的混凝土强度等级不同的现象,有时还相差很大,由此就产生了相临构件不同强度混凝土交接面位置的选定及如何处理的问题,同时还涉及与此相关的钢筋安装、施工缝留置等常规施工方案的改变。在《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)中,有关框架梁柱节点区混凝土的设计和浇筑有以下的条文内容及条文说明:

――当柱混凝土设计强度高于梁、楼板的设计强度时,应对梁柱节点混凝土施工采取有效措施(第13.5.7条)。

――高层建筑不同强度的梁、柱节点混凝土浇筑需要有关单位具体协商解决(条文说明)。

――抗震设计时,一、二级框架的节点核心区应按本规程C进行抗震验算;三、四级框架节点以及各抗震等级的顶层端节点核心区,可不进行抗震验算(第6.2.7条)。

――凡是梁柱节点的混凝土强度低于柱混凝土强度较多者,皆必须仔细验算节点区的承载力,包括受剪、轴心受压、偏心受压等,并采取有效的构造措施。

由此可以看出,规程对梁柱节点区混凝土的设计及施工并未统一规定,而在高层建筑混凝土结构设计与施工中,这一问题是不可避免的,因此寻求一种梁柱节点区混凝土合理和方便施工的方法是本文的目标。

为了满足柱轴压比的要求,同时又要控制柱截面不要过大,柱采用较高强度等级的混凝土是一种必然。而对于以受弯为主的楼面结构,过高的混凝土强度等级却是不需要且不适宜的,前者指对其抗弯承载力的贡献不明显,后者则指对构件承受非荷载应力(混凝土收缩应力、温度应力等)不利。正因如此,《高层建筑混凝土结构技术规程》第6.1.9条才有“现浇框架梁的混凝土强度等级不宜高于C40”的规定,但实际工程设计中楼板合适的混凝土强度等级应为C25~C35。由此可见,在高层建筑混凝强度设计中柱设计强度高于梁板的设计强度必然存在,而且随着高度的增大,两者强度差距会越大,当然该区段主要存在于高层建筑的下部。考虑到梁柱节点区需要处理的都在高层建筑的下部,该区段的柱配筋率一般接近或略大于1%,因此根据以上要求可将节点区的施工措施归纳如下:①当梁板与柱的混凝土强度等级仅相差一个等级(5Mpa)时,节点区完全可以与楼板一起浇筑。②当梁板比柱的混凝土强度等级低2~3个等级时,节点区需要增设竖向短筋,其数量分别为柱主筋配筋量的50%和100%。③当梁板比柱的混凝土强度等级低4个等级及以上时,再靠增设节点区竖向短筋来提高其抗压强度已不可行,其原因一是无法布筋,二是短筋数量太大。此时节点区需要采用与柱同等级混凝土单独浇筑,虽然有一定的施工难度且需要有较严密的施工组织措施,但所占的分量不很大,仍可以接受。

偏心受压计算公式中没有体现节点区各方向水平梁对其提高强度的影响,事实上该影响是存在且有效的,尤其中柱节点通常因两个方向梁对其约束产生显著效果。正如抗剪验算中考虑“正交梁的约束影响系数”一样,同等条件下中柱的抗剪承载力是边角柱的1.3倍左右。上述施工措施虽然未将中柱、边柱、角柱加以区分,但事实上应有所不同。笔者认为,上述施工措施可以针对边柱和角柱区别开来,如系中柱节点区,则可将各条措施中梁柱混凝土强度等级的差异各提高一个等级。该结论的依据虽然是定性而不是定量的,但从充分发掘中柱节点的抗压潜力,并考虑现场施工方便性的角度而言,它是可行且科学的。

1 凝土强度等级不同的处理

1.1 柱与基础的连接。

1.1.1 柱与独立基础或底板不同强度混凝土的交接面,一般在基础或底板的上表面,与混凝土施工缝相重合,以方便施工。若为独立基础,亦可设在梯形截面的变截面处。

1.1.2 柱与独立基础或底板不同强度等级混凝土的交接面,也可设在柱外距离柱宽度的截面处,深度至底板或基础底部。

1.2 柱与梁相交。柱与梁相接的节点核心区受力非常复杂,且施工缝留置在此处理不好,可能留下隐患。

1.2.1 柱与梁不同强度等级的混凝土交接面设在距离柱为梁高的梁上。在与梁下皮等高的柱的施工缝上继续浇筑混凝土时,浇筑与柱等强度的混凝土至板下平面,混凝土也随同浇至板底平面,此时混凝土浇筑不能停止(此处不能形成施工缝),而应在柱截面内继续浇筑与柱强度等级相同的混凝土至板的上表面,此处作为柱混凝土浇筑的施工缝。为此,当节点核心区混凝土浇筑至板下平面时,在柱的截面位置上要支设高度等于板厚的柱模板。此做法施工过程繁琐,施工时除要注意不同强度等级混凝土的浇筑在交接面处更换外,还要及时支设高度等于板厚的柱模,但能保证柱节点核心区混凝土强度与柱相同。

1.2.2 柱与梁不同强度等级的混凝土交接面与上述相同,也设在距离柱为梁高的板下梁上,而待柱及梁端混凝土浇至板下表面时,更换为梁板混凝土,接续要在前混凝土终凝前完成,与其他梁板混凝土同时连续浇筑至板混凝土的上皮,此表面为柱的施工缝。上述方法的缺点是:在柱节点核心区内高度等于板厚的高度内,混凝土的强度等级低于柱的混凝土,其强度等级与梁板相同,为此可在混凝土中增加纵向钢筋或型钢解决。

1.2.3 当柱比梁的混凝土强度等级高出不超过一个等级时,柱节点核心区的混凝土可随梁板一同浇筑。当柱混凝土强度等级超过梁板混凝土强度等级大于二级,且柱四边皆有现浇梁时,柱节点核心区的混凝土也可随梁板一同浇筑。但为解决节点竖向承载能力不足及地震时抗剪能力不足的问题,在节点处增加纵向钢筋、设置型钢及增加箍筋予以补强。

1.2.4 因结构受力要求现浇钢筋混凝土框架结构基础、梁、板及柱的混凝土采用不同的强度等级,从结构构件的受力状态和其重要性考虑,无疑是合理和正确的,但却增加了施工难度。若交接面处两种不同强度等级的混凝土结合不好,特别是节点核心区低强度的混凝土代替了高强度的混凝土,不但违背了“强柱弱梁”的结构理念,而且给工程带来隐患和缺陷,因此若框架结构中相临结构的混凝土强度等级相差1~2个等级,宜设计为同一等级。柱与底板或基础的不同混凝土强度等级的交接面宜与混凝土施工缝重合,设在基础或底的顶面,这样不但方便施工还减少了施工过程。梁与柱的混凝土强度等级差别随其结构层数的增加而增加,有时相差很大,这种情况不但经常遇到,且由于受力复杂而显得非常重要。所以一定要选择可靠方法施工,要优先选择节点核心区混凝土强度等级与柱相同的方案,梁内不同强渡的混凝土交接面要留与梁轴线垂直的直槎,严禁做成斜槎或阶梯槎。梁板的混凝土尽可能采用相同的强度等级,一般设计的混凝土强度等级相差并不大,通常相差1~2级;整浇梁板结构的钢筋混凝土梁是按T型截面内的混凝土按强度等级高的混凝土浇筑,剩下的低强度混凝土量也就不多了,为方便施工,梁板混凝土宜采用与梁相同强度等级的混凝土。如果梁和板的混凝土等级相差较大,不同混凝土强度等级的交接面可留在弯起钢筋等于板厚的竖直截面上。

2 混凝土施工缝

结构的混凝土施工缝一般应遵守位于剪力和弯矩均较小且便于施工的部位,其中柱宜留置在基础顶面、梁的下面及板的上表面,有主次梁的楼板宜顺次梁方向浇筑,施工缝留在次梁跨度1/3范围内。框架结构顶层及中间层端节点的柱顶的施工缝,由于梁内纵向钢筋伸入柱中部分应预先插入柱内,这样做会给施工造成困难,因此在抗震设防地区一般不将施工缝留置在梁下面。

在设计规范要求,地震设防区,在框架顶层端节点处,应使梁顶面钢筋伸至边柱外侧后向下弯伸过梁底,每次切断2~4根,相距≥1aE(有抗震要求的钢筋锚固长度)。抗震设计时,梁顶面钢筋伸至柱边外侧后向下伸入梁底1aE;非抗震设计时,梁顶面钢筋伸入梁底1.21a(无抗震要求的钢筋锚固长度)。

由此可见,若将柱的施工缝留置在梁下面,就要求梁内纵向钢筋预先插入柱中,为此在柱模板和钢筋工程完成的同时,梁的模板及钢筋工程也要完成,否则会造成梁顶插入柱中的钢筋固定困难,给施工带来不便,柱的施工缝宜留在梁的下面,这一规定给予将施工缝留在梁的下面以一定的灵活性,若采取适当的技术措施予以加强,施工缝截面的清洗、凿毛、接浆、浇筑振捣及养护显得非常重要。由此可见,将施工缝留在纵向钢筋伸向梁底后的端点下面,是完全可行的。

框架中间层端节点,梁上部纵向钢筋弯折后垂直锚固长度不应小于15d。以纵向钢筋直径常用的直径25mm钢筋为例,垂直段的锚固长度为15x25=375mm,加上钢筋上面保护层厚度,从梁上皮到垂直段钢筋末端距离则为400mm,因此梁高为500mm能满足施工缝设在梁下面而不用预先将梁顶纵向钢筋插入柱内,即可满足施工缝设在梁下面的要求。若不能满足,则可同顶层端节点一样,将施工缝设在弯折后的垂直钢筋下面。

3 不同强度等级混凝土交接面的施工

不同强度等级的混凝土在交接面接续应连续施工,当必须间歇时,其间歇时间宜尽量缩短,并应在前种混凝土终凝前,将后续混凝土浇筑完毕,不能将此作为施工缝处理。

4 节点核心区的钢筋

抗震设计时,为确保钢筋混凝土框架节点核心区的强度,节点核心区的箍筋要加密,配筋量不应小于柱端加密区的实际配筋量;施工时节点核心区内柱的箍筋不可遗漏。框架顶层端节点和中间层端节点在抗震设计时,弯折前的梁上部纵向钢筋,锚固长度不应小于0.45laE;非抗震设计时,锚固长度不应小于0.45la。

以上即本人在大量的工程实践中,根据现场处理高层框架梁柱节点核心区施工的一点心得和体会,希望能对同行们的工作有所帮助,同时也希望能得到同行的指点。

参考文献

1 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)

2 混凝土结构工程施工质量验收规范(GB 50204-2002)

3 混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图

(03G101-1)