王 佐，楊海龍，陳 杰，張運(yùn)良

（1、重慶新和建筑工程有限公司 重慶 401120；2、中國(guó)電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司 重慶 400050；3、中國(guó)建筑第二工程局有限公司西南分公司 重慶 401120；4、重慶大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司 重慶 400045）

1 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力機(jī)制

框架節(jié)點(diǎn)是框架結(jié)構(gòu)中的重要結(jié)構(gòu)部件，它將框架梁和柱連接為一個(gè)整體，在框架梁和框架柱之間進(jìn)行著力的傳遞和分配?？蚣芄?jié)點(diǎn)由梁端、柱端和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)3個(gè)部分組成，其中節(jié)點(diǎn)核心區(qū)是關(guān)鍵部件，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)一旦破壞，框架將失效，造成結(jié)構(gòu)的倒塌。在梁端、柱端的彎、剪、壓作用下，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力復(fù)雜，主要破壞形式表現(xiàn)為受剪破壞。其受力模型比較有共識(shí)的是斜壓桿模型和桁架模型，如圖1 所示。在節(jié)點(diǎn)受力的早期，傳入節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的力合成沿節(jié)點(diǎn)對(duì)角線方向的壓力，并由混凝土的斜向壓桿承擔(dān)。隨著作用力的增大，在受力的后期，與斜向壓桿垂直方向的主拉應(yīng)力超過(guò)了混凝土的抗拉強(qiáng)度，形成一些與斜向壓桿平行的裂縫。開裂后的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)主壓應(yīng)力仍然由混凝土斜壓桿承擔(dān)，主拉應(yīng)力將由節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的水平箍筋承擔(dān)。節(jié)點(diǎn)水平箍筋還為斜壓桿提供了側(cè)向約束。在往復(fù)荷載的作用下，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土被雙向斜裂縫分割成菱形塊體。得益于箍筋的約束作用，核心區(qū)斜裂縫開展有限，菱形混凝土塊體之間仍然保持斜壓桿的傳力功能。在更大的往復(fù)荷載作用下，核心區(qū)混凝土斜壓桿發(fā)生失穩(wěn)壓潰，節(jié)點(diǎn)達(dá)到完全破壞。框架在雙向地震作用下，框架節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)方向同時(shí)受力，節(jié)點(diǎn)內(nèi)作用合成剪力，節(jié)點(diǎn)端部形成空間斜向受壓區(qū)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)形成不同于單向受力的空間斜向斜壓桿［1］。大量模型化研究和試驗(yàn)研究［2-3］表明，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪承載力主要由混凝土斜壓桿和水平箍筋這兩部分共同組成。當(dāng)剪力大到一定程度，靠增大節(jié)點(diǎn)箍筋已經(jīng)無(wú)法進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪承載力了，剪力超過(guò)了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪能力的上限，這就是節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比超限。

圖1 受力模型Fig.1 Stress Model

2 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比超限的規(guī)范規(guī)定

為防止節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比超限，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015年版）：GB 50010—2010》［4］第11.6.3條規(guī)定，框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪水平截面應(yīng)符合下列條件：

式中：βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過(guò)C50時(shí)取1.0，C80時(shí)取0.8，其間按線性內(nèi)插法取值；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；bj為框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的截面有效驗(yàn)算寬度：當(dāng)bb≮bc∕2 時(shí)，可取bc；當(dāng)bb＜bc∕2 時(shí)，可取bb+0.5hc和bc中的較小者。當(dāng)梁與柱的中線不重合且偏心距e0≯bc∕4 時(shí)，可取（bb+0.5hc）、（0.5bb+0.5bc+0.25hc-e0）和bc三者中的最小值。此處，bb為驗(yàn)算方向梁截面寬度，bc為該側(cè)柱截面寬度，hc為驗(yàn)算方向的柱截面高度；hj為框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的截面高度；ηj為正交梁對(duì)節(jié)點(diǎn)的約束影響系數(shù)：當(dāng)梁板為現(xiàn)澆、梁柱中心線重合、四側(cè)各梁截面不小于該側(cè)柱截面寬1∕2，且正交方向梁高高不小于較高框架梁高度的3∕4 時(shí)，ηj可取1.5，但對(duì)9度設(shè)防烈度，ηj宜取1.25；當(dāng)不滿足上述條件時(shí)，ηj應(yīng)取1.0。

3 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比超限影響因素分析

3.1 節(jié)點(diǎn)混凝土強(qiáng)度

節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的最終破壞，是由節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土斜壓桿的壓潰導(dǎo)致的。提高節(jié)點(diǎn)混凝土的抗壓強(qiáng)度f(wàn)c可以提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力上限，眾多的試驗(yàn)驗(yàn)證了這一點(diǎn)［5］。混凝土強(qiáng)度越高脆性越大，混凝土強(qiáng)度有效系數(shù)越低［6］，文獻(xiàn)［4］通過(guò)引入混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)βc來(lái)反映這種影響。

實(shí)際工程中框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土強(qiáng)度要么同框架梁，要么同框架柱。閆維明等人［7］的研究表明，中高剪壓比試件核心區(qū)不宜直接采用與樓蓋梁等強(qiáng)度的混凝土澆筑。單獨(dú)提高節(jié)點(diǎn)混凝土強(qiáng)度實(shí)施起來(lái)不太方便?；炷翉?qiáng)度不宜提高過(guò)多，不宜與同層其它柱的混凝土強(qiáng)度相差太大。蘇駿等人［8］對(duì)一種新型超高韌性水泥基材料取代框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)普通混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，證明其具有更高的抗震延性和耗能性能。

3.2 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪驗(yàn)算有效截面

影響節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比的另一重要因素是節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪驗(yàn)算有效截面，即bjhj。增大驗(yàn)算方向的柱截面高度hj，可以成比例地直接提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力上限。而節(jié)點(diǎn)核心區(qū)截面有效驗(yàn)算寬度bj則跟柱截面寬度、梁寬度、梁偏心距等均有關(guān)。當(dāng)驗(yàn)算方向梁寬較小或偏心較大時(shí)，增大梁寬或減小偏心距，也能增大抗剪驗(yàn)算有效截面，提高核心區(qū)抗剪承載力上限。

梁柱截面增大，其線剛度增大，該梁柱在結(jié)構(gòu)中分配到的內(nèi)力也增大，進(jìn)而會(huì)增大節(jié)點(diǎn)剪力。加高梁截面可改善節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比超限問(wèn)題。在低烈度改善效果很明顯，這是因?yàn)橛闪航孛婕哟蠖鸬牧憾藦澗卦鲩L(zhǎng)幅度小于節(jié)點(diǎn)截面增加幅度。但高烈度改善效果不明顯，這是因?yàn)榱簞偠茸兇笠鸬牧憾藦澗卦龃筝^多［9］。如果節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比超限不多，可適當(dāng)增大節(jié)點(diǎn)有關(guān)梁柱的截面。如果節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比超限較多，僅調(diào)整框架梁柱截面，會(huì)導(dǎo)致該梁柱截面遠(yuǎn)大于相鄰其它梁柱，甚至形成短柱，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。另外，梁柱截面增大較多也可能對(duì)建筑功能和空間效果帶來(lái)影響，也不是特別經(jīng)濟(jì)。因此，在高烈度區(qū)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比超限較多時(shí)，不宜僅增大梁柱截面，可綜合采取其它措施來(lái)解決。

3.3 正交梁的約束

當(dāng)節(jié)點(diǎn)有符合要求的正交梁和周邊現(xiàn)澆板的約束時(shí)，正交梁對(duì)節(jié)點(diǎn)的約束影響系數(shù)ηj取1.5 或1.25（9度設(shè)防），可以提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比上限。

框架結(jié)構(gòu)理想的抗震機(jī)制，是在地震作用下梁端首先出現(xiàn)塑性鉸，消耗地震能量。理想狀況下，大震時(shí)框架梁的梁端出現(xiàn)塑性鉸。當(dāng)正交方向梁端出現(xiàn)塑性鉸后，正交梁對(duì)節(jié)點(diǎn)的約束就會(huì)減弱。在計(jì)算罕遇地震作用時(shí)的節(jié)點(diǎn)抗剪承載力時(shí)，ηj不宜取得太大，參考文獻(xiàn)［4］對(duì)9度設(shè)防時(shí)的取值，建議ηj可取1.25。

3.4 梁端加腋

若正交方向的梁截面較小，或梁偏心，則其約束作用就不明顯，ηj只能取1.0。在框架梁端部設(shè)置水平加腋（見圖2），可以提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比上限。沿驗(yàn)算方向的梁端水平加腋，相當(dāng)于增大了驗(yàn)算截面的有效寬度bj。正交梁梁端水平加腋相當(dāng)于增加了對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的側(cè)向約束。孫捷等人［10］的研究表明，梁端水平加腋并保證一定的加腋寬度，可以顯著提高偏心節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力。

圖2 梁端水平加腋Fig.2 Horizontal Haunching at Beam End

“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”是框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要原則。梁端加腋在增加對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的約束的同時(shí)也增加了梁端的抗彎強(qiáng)度，推遲了梁端出現(xiàn)塑性鉸的時(shí)間，梁端屈服時(shí)柱端和節(jié)點(diǎn)受力會(huì)增大，不利于“強(qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的實(shí)現(xiàn)。如果梁端加腋比較大，柱鉸可能先于梁鉸出現(xiàn)，甚至出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪破壞，不能充分發(fā)揮先出梁端塑性鉸的耗能作用，影響結(jié)構(gòu)的抗震性能。劉艷等人的試驗(yàn)研究［11］證實(shí)，梁端水平加腋會(huì)干擾塑性鉸的出現(xiàn)，由于加腋的寬度、長(zhǎng)度的不同，梁端塑性鉸出現(xiàn)的時(shí)間和位置不同?；谝陨显?，不宜盲目采取對(duì)梁端加腋來(lái)提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪能力。

4 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)外設(shè)置柱帽

在一定的條件下，不管是節(jié)點(diǎn)水平箍筋對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土斜壓桿的約束，還是節(jié)點(diǎn)外正交梁和水平加腋對(duì)節(jié)點(diǎn)的約束，都可以提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力。按照這一思路，可以通過(guò)設(shè)置柱帽來(lái)提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力。即在框架節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)置一個(gè)擴(kuò)大的圓柱形柱頭來(lái)包裹住節(jié)點(diǎn)，如圖3?所示，柱帽上部平梁頂面，下部比梁底稍低。柱帽設(shè)置水平和豎向的封閉鋼筋，形成一個(gè)空間的鋼筋籠，頂面和底面鋼筋之間設(shè)置拉筋，如圖3?所示，以形成對(duì)柱帽混凝土的良好約束。柱帽相當(dāng)于一個(gè)擴(kuò)大了的節(jié)點(diǎn)域，對(duì)框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了三維的約束。為了讓這種約束效果更好，柱帽采用圓柱形而不是矩形。框架梁按原設(shè)計(jì)貫穿柱帽進(jìn)入框架節(jié)點(diǎn)。由于柱帽很強(qiáng)，梁端塑性鉸將出現(xiàn)在柱帽邊界外的梁端。即使梁端出現(xiàn)了塑性鉸，柱帽也能很好地約束住節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”。

圖3 柱帽及其剖面Fig.3 Column Cap and Its Section （mm）

設(shè)置柱帽后，如何計(jì)算節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪承載力，目前還缺乏相關(guān)試驗(yàn)研究。某種程度上，柱帽相當(dāng)于一個(gè)擴(kuò)大了的節(jié)點(diǎn)。保守地，可以將柱帽僅作為對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的約束部件。從工程實(shí)用出發(fā)，如圖3?中的柱帽范圍內(nèi)可將梁看作是有水平加腋的，加腋寬度不超過(guò)加腋長(zhǎng)度的1∕2，按加腋后的梁寬確定抗剪截面驗(yàn)算有效寬度bj。由于柱帽對(duì)節(jié)點(diǎn)的良好約束效果，約束影響系數(shù)ηj也可以從1.0 提高到1.5，從而大幅提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力上限，避免剪壓比超限。

5 實(shí)際工程案例

某高烈度區(qū)大型多層商業(yè)建筑為RC 框架結(jié)構(gòu)。典型柱距8.4 m，最大框架梁跨度26 m。典型柱截面1 000 mm×1 000 mm，典型框架梁截面400 mm×800 mm。框架柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)C45，梁板C30?？拐鹪O(shè)防烈度為8 度（0.3g），設(shè)防類別為乙類。其中有一些復(fù)雜框架節(jié)點(diǎn)的核心區(qū)剪壓比超限，其原因除了項(xiàng)目位于高烈度區(qū)本身地震作用大外，還因?yàn)榻ㄖδ艿男枰?，存在著梁跨度大、梁截面寬度小于柱?∕2、梁與柱斜交、多向多根梁交匯于同一個(gè)框架節(jié)點(diǎn)等不利情況。例如其中某柱節(jié)點(diǎn)（見圖4）連接了6 根框架梁，斜向框架梁最大跨度24 m。計(jì)算配筋結(jié)果提示節(jié)點(diǎn)域抗剪箍筋面積超限，查超限信息文件顯示，Vjy=7 638.7 kN＞1∕γre·0.30·1.0·βc·fc·bj·hj=6 702.4 kN，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比不滿足文獻(xiàn)［4］要求。由于正交梁寬小于柱截面寬的1∕2，軟件計(jì)算中參數(shù)ηj取1.0，bj取bb+0.5hc=900 mm。雖然剪壓比超限不多，但是作為高烈度區(qū)的乙類設(shè)防建筑，多根多向大跨度梁交匯于一點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)作用極為關(guān)鍵，不但要確保多遇地震時(shí)的承載力，還應(yīng)確保在罕遇地震作用下不能破壞。綜合考慮，在該節(jié)點(diǎn)設(shè)置圓柱形柱帽。柱帽直徑2 014 mm，高1 300 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)同柱。按圖3?對(duì)柱帽進(jìn)行鋼筋配置，其中豎向環(huán)筋為?25@150，水平環(huán)筋為?20@200，拉筋為?16@300，隔一拉一。計(jì)算節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力時(shí)僅將柱帽當(dāng)作梁端水平加腋，bj取bb=1 000 mm，ηj取1.5，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力上限提高到了11 170 kN，大于節(jié)點(diǎn)剪力Vj，剪壓比滿足文獻(xiàn)［4］要求。由于柱帽的良好約束和加強(qiáng)作用，該復(fù)雜框架節(jié)點(diǎn)抗剪承載力得到大幅提高，實(shí)現(xiàn)了在罕遇地震作用下節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪不屈服的性能目標(biāo)。

圖4 實(shí)例節(jié)點(diǎn)Fig.4 Instance Node （mm）

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比超限影響因素的分析，得出以下結(jié)論和設(shè)計(jì)建議：

⑴提高節(jié)點(diǎn)混凝土強(qiáng)度可以改善節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比超限，但施工不便，且不宜提高過(guò)多，超限不多時(shí)可適當(dāng)提高該節(jié)點(diǎn)所在柱的混凝土強(qiáng)度。

⑵增大梁柱的截面可以提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比上限，但應(yīng)注意構(gòu)件剛度增大造成分擔(dān)內(nèi)力增加帶來(lái)的不利影響。

⑶正交梁梁端出鉸后對(duì)節(jié)點(diǎn)的側(cè)向約束會(huì)減弱，建議復(fù)核罕遇地震節(jié)點(diǎn)受剪承載力時(shí)，ηj不宜取得太大。

⑷梁端加腋會(huì)干擾塑性鉸的出現(xiàn)時(shí)間和位置，不宜盲目采用梁端加腋來(lái)提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力。

⑸設(shè)置柱帽能大幅度提高節(jié)點(diǎn)抗剪能力，有利于“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的實(shí)現(xiàn)，是一種解決復(fù)雜框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比超限的有效措施。