混凝土结构偏梁框架节点构造研究_潘立.pdf

第 45 卷 第 22 期 2015 年 11 月下 建筑结构 Building Structure Vol 45 No 22 Nov 2015 混凝土结构偏梁框架节点构造研究 潘立 ( 中国建筑科学研究院建筑结构研究所，北京 100013) 摘要 混凝土框架、 框剪和框筒结构设计中， 为满足填充墙及其相邻梁柱同侧外观平齐的要求， 较多相连梁柱的 一侧位于同平面， 由此形成的偏梁框架节点除施工不便外， 还可能使其核心区性能劣化。对此构造进行了深入分 析与研究， 考虑梁柱截面偏心距， 在尽量满足建筑外观需要的基础上， 给出了常用的相应框架梁最小宽度表， 建议 避免相连混凝土梁柱一侧同平面形成的偏梁框架节点， 优先选用边梁与边柱截面偏心较小、 外墙与边柱外侧同平 面构造， 及楼面梁与中柱截面偏心较小、 隔墙与中柱一侧同平面构造， 并控制梁顶墙体重心位于梁宽范围内。 关键词 混凝土梁柱;填充墙;偏梁框架节点;梁端水平加腋;节点核心区 中图分类号: TU470. 1文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2015) 22- 0060- 05 esearch on construction of eccentric beam- column joints in reinforced concrete structures Pan Li ( Institute of Building Structures，China Academy of Building esearch，Beijing 100013，China) Abstract: In structural designs of reinforced concrete frame，frame- shear wall and frame- core wall structures，in order to meet the requirement that infilled wall and connected beam- column joint should be designed with a same side plane，many beam- column joints are designed with a same side plane This construction is easy to form the large eccentric frame joint which makes construction difficult and the deterioration of performance for core region of joint This construction was analyzed and researched in- depth，and the table of the corresponding minimum width for common frame beams was given to meet the building exterior needs as far as possible，considering beam- column section eccentricity It is recommended to avoid the eccentric beam- column joints due to beam- column joints designed with a same side plane The plane construction of beam- column joints is preferred including that side beam and column has small section eccentricity and faade infilled wall is designed with a same side plane as end column The construction is also preferred where floor beam and middle column has small eccentricity with infilled wall designed with a same side plane as middle column and barycenter of the wall on the beam is controlled in the range of beam width Keywords: reinforced concrete beam and column;infilled wall;eccentric beam- column joint;horizontal haunch at beam ends;core region of joint 作者简介: 潘立， 硕士， 教授级高级工程师， 一级注册结构工程师， Email:panlicabr163 com。 0引言 在多、 高层混凝土框架、 框剪和框筒结构中， 为 满足填充墙与相邻梁柱同侧外观平齐的建筑要求， 近年来结构设计多采用“相连梁柱一侧位于同平 面” 的节点构造， 即框架边梁外侧与相连边柱和角 柱外皮位于同平面， 楼面梁一侧与相连中柱或边柱 同侧位于同平面， 形成了较多偏梁框架节点。相连 梁柱的截面中心线间距( 或偏心距) 大于 0 且不大 于 1/4 同向柱宽时为小偏心框架节点， 见图 1( a) ， ( b) ， 相连梁柱的截面中心线间距( 或偏心距) 大于 1/4 同向柱宽时为大偏心框架节点， 见图 1( c) ， ( d) 。该构造使梁顶面填充墙一侧无柱身外凸， 可 满足相连墙柱一侧齐平的外观要求， 使结构模板、 外 墙保温层、 建筑幕墙与干挂石材的施工更方便， 因此 颇受建筑设计师的青睐。 在水平设计荷载作用下， 相对于梁柱截面中心 线重合的框架节点( 梁柱截面对中节点) ， 偏梁框架 图 1相连梁柱一侧同平面的偏梁框架节点 第 45 卷 第 22 期潘立 混凝土结构偏梁框架节点构造研究 节点承受的扭矩有所增大。 对于相连梁柱一侧同平面的偏梁框架节点， 梁 内该侧纵筋锚入或横穿节点时必须向内侧弯曲或偏 移以避让柱内同侧纵筋， 其过程可能导致施工不便， 易使梁端部分纵筋的位置或间距偏差大于混凝土 结构施工质量验收规范 ( GB 502042002) ( 2011 年版) 1 ( 简称验收规范) 限值要求。许多情况下， 该构造使梁端局部混凝土保护层厚度过大， 为避免 这些部位开裂不得不增配构造钢筋。 对于大偏心梁柱节点， 实际工程中较多外周梁 端未按高层建筑混凝土结构技术规程 ( JGJ 3 2010) 2 ( 简称高规) 第 6. 1. 6 条要求增设水平加腋 ( 图 1( c) ， ( d) ) ， 结构建模分析时未考虑梁端水平 加腋构造， 或所用软件无相应功能; 且目前这些节点 核心区缺少系统、 严谨的试验研究和有限元分析成 果， 核心区有效范围和应力变化规律及其与梁端水 平加腋的关系尚不明晰。因此外周梁端无水平加腋 的大偏心节点核心区的抗剪性能， 按高规 、 建筑抗 震设计规范 ( GB 500112010) 3 ( 简称抗规) 、 混凝土结构设计规范 ( GB 500102010) 4 ( 简 称混凝土规范) 进行验算存在较大的不确定性。 尽管相关构造手册5 、 标准图集 6 和高规允许 相连梁柱一侧位于同平面， 相应节点构造现已近乎 为习惯做法， 但并非为结构性能所需， 也非可满足相 连墙柱或梁柱一侧同平面建筑要求的唯一方法， 本 文对此构造进行了技术分析， 提出了相应建议， 希望 有助于改进结构设计方法。 图 2混凝土单向与双向偏梁框架节点 1偏梁框架节点 正交主梁与矩形柱相连时， 框架梁与相连柱的 一侧或两侧位于同平面， 相应形成单向或双向偏梁 框架节点， 分别见图 2( a) ( c) 和图 2( d) ( f) ， 一 个或两个方向框架梁与相连柱的截面中心线间距大 于 1/4 同向柱宽时， 对应节点分别为单向或双向大 偏心框架节点， 同一结构单元中这些情况可能单独 出现或以不同组合同时存在。 偏梁框架节点中， 如相连梁柱一侧同平面， 则梁 柱截面中心线间距或两者偏心程度相对最大。高层 混凝土结构下部框架柱的截面通常较大， 但梁宽无 需仅为满足小于 1/4 同向柱宽而增大， 相连梁柱一 侧同平面构造极易形成性能欠佳的大偏心框架 节点。 图 3 为一侧同平面的边梁与边柱节点部位实际 配筋， 可见梁一侧纵筋偏移后从同侧柱纵筋内侧穿 过， 导致了梁端该侧纵筋明显偏离原设计位置。对 于角柱与中柱部位的相连梁柱一侧同平面框架节 点， 梁纵筋避让柱纵筋的情况基本同图 3。 图 3一侧同平面的边梁与边柱节点部位实际配筋 相连梁柱截面同宽( 相连梁柱两侧同平面) 时， 也存在梁纵筋避让柱纵筋施工不便、 梁端部分纵筋 安装位置偏差可能超限的问题， 但不会形成偏梁框 架节点。 2技术分析 高规第 6. 1. 7 条要求 : “框架梁、 柱中心线宜重 合 ” ， “梁、 柱中心线之间的偏心距， 9 度抗震设计时 不应大于柱截面在该方向宽度的 1/4; 非抗震设计 和 6 8 度抗震设计时不宜大于柱截面在该方向宽 度的 1/4” 。由此可得出: 0 5bc 0 5bb 0 25bc( 1) 式中: bc为柱截面宽度; bb为与柱相连的框架梁截面 宽度， bc bb; 为框架梁截面两侧与相连柱同侧外 皮之间距离的较小值( 图4) ， 0 05( bc bb)。 16 建筑结构2015 年 图 4相连梁、 柱、 墙构造剖面 由式( 1) 可得: bb 0 5bc 2( 2) 如相连梁柱的一侧位于同平面， 则 = 0， 此时 bb 0 5bc才能满足高规要求。 目前工程中常见一侧同平面相连梁柱的 bb 0 5bc， 此时如设计无需增大 bb，应尽量使 不 小于 30mm 和柱筋直径的较大值， 以减小水平设计 荷载作用下的梁柱节点扭矩， 减少梁端钢筋施工不 便， 并满足式( 2) ， 以避免梁端水平加腋等附加 措施。 高规第6. 1. 7 条要求 : “当梁柱中心线不能重合 时， 在计算中应考虑偏心对梁柱节点核心区受力和 构造的不利影响， 以及梁荷载对柱子的偏心影响。 ” 抗规第 6. 1. 5 条也有相同要求。因此对于一侧同平 面的相连梁柱， 当 bb 0 5bc时， 应按高规和抗规要 求在节点外周偏置梁端增设水平加腋， 并在整体结 构计算分析模型中如实反映相连梁柱截面的偏心 情况。 一侧同平面的相连梁柱施工时， 为使梁端一侧 纵筋侧弯或偏移绕穿柱纵筋， 部分梁筋的一段长度 需脱离箍筋或偏离原设计位置， 并在模板内重新固 定， 梁端纵筋较多时还可能导致配筋间距过小、 影响 混凝土浇筑振捣密实。验收规范第 5. 5. 2 条限定钢 筋安装位置允许偏差如下: 受力钢筋间距 10mm、 排距 5mm， 梁纵筋混凝土保护层厚度 5mm。现 场隐检表明， 在相连梁柱同平面一侧， 梁端纵筋侧弯 或偏移绕穿柱纵筋后( 偏移量随柱筋直径增大而增 加) ， 其安装位置偏差常大于这些限值要求。如使 大于或等于 30mm 和柱筋直径的较大值， 则可避免 出现这些不利情况。 现有混凝土框架节点核心区性能的试验与计算 研究， 绝大多数基于梁柱截面中心线重合的情况， 较 少基于小偏心梁柱节点， 个别基于外侧梁端有水平 加腋的大偏心梁柱节点的情况7 ， 因样本和数据不 足， 难以归纳核心区有效范围及偏移和最大组合应 力的变化规律。至于外侧梁端无水平加腋的大偏心 节点核心区的受力与变形性能， 尚未检索到可参考 的试验与计算研究成果， 使基于高规、 抗规方法的相 应抗剪验算存在不确定性， 且偏于不安全。 研究发现， 在楼面未设内墙的区域， 部分设计仍 选用相连楼面梁和中柱一侧同平面的小偏心甚至大 偏心梁柱节点。此做法为习惯使然或仅为绘图方 便， 对结构除有损节点性能及不便于施工外， 无任何 益处， 应予避免。 3比较与建议 目前常见外侧同平面的相连边梁、 边柱、 外墙的 剖面见图 4( a) ， 一侧同平面的相连楼面梁、 中柱、 内 墙的剖面见图 4( b) ， 图4( a) ， ( b) 中 = 0， 梁柱截 面中心线间距相对最大。相连边梁与边柱、 楼面梁 与中柱的对中节点的剖面见图 4( c) ， ( d) ， 相对 最大， 虽梁柱截面无偏心且墙梁一侧同平面， 但柱身 两侧均凸出墙面。图 4( e) ， ( f) 所示为小偏心梁柱 26 第 45 卷 第 22 期潘立 混凝土结构偏梁框架节点构造研究 节点， 相对较小， 虽梁顶墙体向一侧偏移较大， 但 可保持边柱或中柱与墙体一侧同平面。 工程中通常墙厚小于梁宽， 此时只要相连墙柱 或墙梁的一侧同平面， 无论相连梁柱一侧是否同平 面， 梁顶墙体的重心均偏离梁截面中线。图 4( e) ， ( f) 中墙体重心偏离梁截面中线程度虽大于图 4( a) ， ( b) ， 但仍需限定在梁宽范围内。对于图 4( e) ， ( f) 的连接构造， 如因 过小导致梁侧砌墙不 便， 图 4( e) 中可用保温材料填充梁侧， 图 4( f) 中可 空置并用吊顶遮挡该部位。 满足式( 2) 要求的 bb， min 表 1 bc/mm /mm 0304050607080 600300240220200 650325265245225205 700350290270250230210 750375315295275255235215 800400340320300280260240 850425365345325305285265 900450390370350330310290 950475415395375355335315 1 000500440420400380360340 1 050525465445425405385365 1 100550490470450430410390 1 150575515495475455435415 1 200600540520500480460440 依据上述分析与比较提出以下建议: 1) 8 度抗 震设防不宜、 9 度抗震设防不应选用图 2 和图4( a) ， ( b) 构造形成的大偏心梁柱节点; 2) 为兼顾填充墙 与相连框架柱同侧外皮同平面的建筑外观要求， 宜 优先选用图 4( e) ， ( f) 所示的小偏心梁柱节点， 并使 不小于 30mm 和柱纵筋直径的较大值; 3) 如选用 图 4( a) ， ( b) 的连接构造， 应控制 bb 0. 5bc， 否则 需避开结构组合内力较大部位、 按高规要求在梁端 增设水平加腋， 并在整体结构计算分析时计入偏心 影响; 如双向 bb 0 5bc， 且梁端无水平加腋， 宜按 最不利工况补充节点核心区有限元计算分析; 4) 无 论图 4( a) ， ( b) 构造位于结构何部位， 节点核心区 混凝土强度等级不低于相连下柱， 且节点外周梁端 纵筋最小净间距不小于混凝土粗骨料最大粒径; 5) 高规第 6. 1. 6 条今后修订时， 对非抗震设计和 6 8 度抗震设计时不满足式( 2) 的情况， 除要求构造与 计算采取现有措施外， 宜进一步限定相连梁柱截面 中心线的最大间距。 4满足式( 2) 要求的最小梁宽 bb， min 对于混凝土偏梁框架节点， 在常用柱截面宽度 bc=600 1 200mm 范围内， 及 分别等于 0( 相连 梁柱一侧同平面) ， 30， 40， 50， 60， 70， 80mm 的条件 下， 可解出满足式( 2) 要求的框架梁最小宽度 bb， min， 见表 1， 其中两条较粗折线之间的 bb， min位于通常取 值范围 250 400mm 之内。 由表 1 可知， bb， min随 值增大而减小， 0 0 5( bc bb)。结构设计时， 可按图 4( e) ， ( f) 的构 造调整 值， 以尽量避免选用图 4( a) ， ( b) 的构造。 对于节点外周偏置的框架梁， 当该节点各项性能经 验算满足设计要求后， 仅为满足式( 2) 再增大梁宽 显然不合理， 实际工程中此做法也罕见， 此时应适当 增大 值。 5节点核心区 5. 1 受力状态 矩形角柱、 边柱和中柱部位分别可能存在单向、 双向偏梁节点， 共有 6 种不同情况( 图 2) 。相连梁 柱截面中心线间距较大时， 单向偏梁节点核心区的 最大组合应力偏于柱截面一侧， 双向偏梁节点核心 区的最大组合应力偏于柱截面一角， 后者偏离柱截 面形心较多， 可能导致节点受力状态更为不利7 ， 即所谓核心区受力性能劣化。角柱部位常见双向偏 梁节点， 在 6 种情况中核心区的受力状态最不利。 5. 2 组合应力 偏梁节点因水平设计荷载作用产生扭矩， 与梁 柱截面对中节点相比， 核心区组合应力较大。混凝 土规范第 5. 1. 1 条要求“必要时尚应对结构中受力 状况特殊部位进行更详细的分析” ， 但未明确大偏 心框架节点核心区是否为受力状态特殊部位， 及需 进行详细分析的充分必要条件， 目前结构设计基本 不涉及此项较复杂的工作， 通常仅验算其核心区的 构造与抗剪性能。 降低梁柱节点核心区的组合应力是结构抗震设 计实现 “强节点” 的关键措施。如选用图 4( e) ， ( f) 的构造， 既能兼顾墙体与相连柱同侧同平面的建筑 36 建筑结构2015 年 外观要求， 又可减小偏心框架节点核心区的组合应 力， 满足了式( 2) 要求， 并相应简化了设计与施工。 5. 3 混凝土强度等级 节点外周梁端提供的侧向约束， 有利于改善核 心区的受力性能。基于梁柱截面无偏心和小偏心节 点的试验研究发现， 节点核心区的组合应力因其部 分可扩散至外周梁端内而有所降低8-10 。因此为方 便施工， 结构设计通常允许节点核心区混凝土强度 等级按以下情况低于相连下柱的混凝土强度等级， 而同周围框架梁的混凝土强度等级: 对于矩形截面 柱， 节点 4 个侧面有梁时， 核心区混凝土强度等级不 低于相连下柱 2 3 个等级; 节点 3 个侧面有梁时， 核心区混凝土强度等级不低于相连下柱 1 2 个等 级; 其他情况不低于相连下柱混凝土强度等级。 大偏心梁柱节点外周的梁端如无水平加腋， 核 心区的梁端侧向约束和梁端扩散核心区应力的作用 均可能明显减弱， 且尚缺相关试验与计算研究依据。 因此为确保结构抗震设计实现“强节点” ， 无论这类 节点位于结构何部位， 都应限定大偏心梁柱节点核 心区的混凝土强度等级不低于相连下柱。 5. 4 配筋构造 框架节点核心区为周围梁柱内纵筋交汇处， 且箍筋较密， 密集的各类配筋易使混凝土浇筑振 捣不密实。对于相连一侧同平面的偏梁框架节 点， 一侧梁筋因避让同侧柱筋可能导致部分配筋 间距进一步减小， 更易使核心区出现混凝土不密 实的缺陷， 且后期难以发现与修补。因此降低图 4 ( a) ， ( b) 中节点核心区混凝土强度等级至外周框 架梁的混凝土强度等级时， 宜更加谨慎并适当减 小相应幅度。 6结论 ( 1) 对于相连混凝土梁柱一侧同平面形成的偏 梁框架节点， 因水平设计荷载作用下的扭矩较大， 可 能导致梁端纵筋避让柱纵筋施工不便及梁端配筋位 置或间距偏差超限， 且易形成构造和施工较复杂的 大偏心节点， 结构设计时宜尽量避免。 ( 2) 为兼顾填充墙与相邻框架柱同侧同平面的 建筑外观要求， 设计应优先选用边梁与边柱截面偏 心较小、 外墙与边柱外侧同平面构造( 图 4( e) ) ， 及 楼面梁与中柱截面偏心较小、 隔墙与中柱一侧同平 面构造( 图 4( f) ) ， 并控制梁顶墙体重心位于梁宽范 围内。 ( 3) 如选用边梁与边柱截面偏心较大、 外墙与 边柱外侧同平面构造( 图 4( a) ) ， 或楼面梁与中柱 截面偏心较大、 隔墙与中柱一侧同平面构造( 图 4( b) ) ， 为确保结构抗震设计实现 “强节点” ， 应控制 梁宽 bb 0 5bc，并按高规和抗规要求采取相应 措施。 ( 4) 高规今后修订时， 对非抗震设计和 6 8 度 抗震设计时不满足式( 2) 的情况， 宜基于试验与计 算研究， 进一步限定相连框架梁柱截面中心线的最 大间距。 参考文献 1 GB 502042002 混凝土结构施工质量验收规范S 2011 年版 北京: 中国建筑工业出版社， 2011 2 JGJ 32010 高层建筑混凝土结构技术规程S 北 京: 中国建筑工业出版社， 2011 3 GB 500112010 建筑抗震设计规范 S 北京: 中国建 筑工业出版社， 2010 4 GB 500102010 混凝土结构设计规范S 北京: 中 国建筑工业出版社， 2011 5 中国有色工程有限公司 混凝土结构构造手册 M 4 版 北京: 中国建筑工业出版社， 2012 6 11G01- 1 国家建筑标准设计图集 S 北京: 中国建筑 标准设计研究院， 2010 7 华建民， 陈祥， 曹晖 大偏心距夹心梁柱节点抗震性能 试验 J 重庆大学学报: 自然科学版， 2011， 34( 8) : 128- 133 8 柳炳康， 黄慎江， 周安， 等 钢筋混凝土框架梁柱偏心 节点抗震性能的试验研究J 建筑结构学报， 1999， 20( 5) : 50- 58 9 徐斌， 程懋堃， 张美励， 等 核芯区混凝土强度低于柱 的框架节点受力性能试验研究J 建筑结构， 2006， 36( 6) : 18- 23 10 刘建伟， 李英民， 杨治洪， 等 平面 PC 框架夹心节点与 传统节点抗震性能对比试验J 建筑结构， 2009， 39 ( 4) : 10- 13 46