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1、关于变电站柱梁节点结构设计的探讨王茂成孙玉红王韶华( 烟台电力设计院)擅要：本文主要目的是改善变电站柱、梁节点的结构抗震设计，从混凝土结构设计规范 ( G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) 出发，回顾了柱梁节点设计的现状，进行了梁纵向筋锚固处受力分析，认为应尽量避免同一区域实现“强锚固”和“强节点”，换句话说，“强锚固”措施应尽量在“强节点”核 心区之外的区域来实现，并优化了节点结构设计。 关键词：抗震强锚固强节点在建筑物的结构抗震设计、施工过程中，我们发现柱、梁节点处的钢筋比较密集，混凝土的浇灌也比较困难，如何改善柱、梁节点的设计，已成为急需解决的重大技术课题。混凝土结构设计
2、规范( G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 第1 1 6 7 - 2 条规定：当柱截面尺寸不足时，梁上部纵向钢筋应伸至节点对 边并向下弯折，梁下部纵向钢筋应伸至节点对边并向上弯折入节点；而第11 6 7 条规定：中间层的中间节点处，框架梁的上部纵向钢筋应贯穿中间节点。如果梁上筋、梁下筋伸人节点能够“强节点”， 那么，第1 1 6 7 条规定是多余的。由此可以分析出，要达到“强节点”，柱筋、梁筋不应节点内弯折。1 节点设计的现状节点核心区内在地震作用下受力是很复杂的，裂缝是斜向交错的，说明综合剪力并不单纯表现 在水平方向上。节点核心区是梁、柱连接的枢纽，所承受的剪力和弯矩应该是来自梁
3、、柱方面传递 来的剪力和弯矩的矢量和，从这一点来讲，节点的外轮廓尺寸应大于梁、柱截面交叉所形成的外轮廓尺寸，才能抵抗来自梁、柱方面传递来的剪力和弯矩。现实工程中，节点的外轮廓尺寸等于梁、柱截面交叉所形成的外轮廓尺寸，这样，在不增大节点的外轮廓尺寸的前提下，为了确保节点的强 度，提出了M 节庐K I M 庐K 2 M 秉或Q 节舻K l Q 扫K 2 Q 果的力学计算理论，其中K l 、K 2 为增大系 数。力学计算时，先计算出梁的Q 与M ，然后依次确定出柱的Q 与M ，以及节点的Q 与M ；最后根据计算出的节点的Q 与M ，来计算出节点核心区内的混凝土抗剪强度；当计算出的混凝土抗剪强 度大于
4、规范规定的混凝土抗剪强度时，就需要重新加大梁、柱尺寸，或在节点核心区内增设箍筋。新的设计规范调整了节点的剪力设计值，从三个方面对节点配箍作了新的规定，并完善了节点的构造措施。虽然对构件延性进行了很多实验研究，但目前尚难进行准确定量计算，所以混凝土结构设计规范只是根据实验结果、理论分析和工程经验从概念上定性地规定各种构造措施，以保证结构具有足够的延性【勰1 。那么，采取适当的构造措施能否完全保证节点的承载能力呢? 目前还没有定论；显然，目前，关于节点的构造设计，需要进一步的探讨与研究。 对钢筋锚固长度的认识。目前主要以拉式试验和梁式试验两种方法来研究钢筋与混凝土的粘结机理 4 - 1 4 9 1
5、 5 0 】，并把钢筋埋长l = 5 d ( d = 钢筋直径) 的试验结果作为粘结强度的标准值 4 - 1 5 7 】。这个结论能否应用到需抗震验算的梁或节点等构件内呢? 在地震作用下，梁或节点内的主筋表现为拉、压交替形式，这样，螺纹钢如同圆锉一样，将钢筋外表面的混凝土锉成粉末或使其裂缝，因此钢筋的弯折锚固方式尤显重要。2 梁纵向筋锚固处受力分析试验表明，节点核心区内弯折钢筋的水平段是主要持力段，只是加载后期，水平段发生黏结破坏、钢筋滑移量相当大时，锚固力才转移到竖直锚固段承担，竖直锚固段对节点核心区混凝土有挤压作用，起到很好的锚固效果，因而总锚固力比水平段要高【5 4 1 8 】。在地震作
6、用下，梁纵向筋产生滑移现象，主要由地震水平荷载和梁弯矩综合作用决定的，尤以地震水平荷载为甚。螺纹钢在混凝土1 7中的滑移，是以正、反两个方向交替来表现的，比纯粹的单方向滑移要坏得多。由此分析，竖直锚固段钢筋的锚固效果是至关重要的。此时，梁纵向筋的弯折方向应做到扩大锚固区域( 面积) ，使 梁与柱结合得更牢固，也就是说达到“强节点”的目的。框架梁柱和节点的抗震设计原则是，强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱柱梁。梁上筋下弯和梁下筋上弯，在构造设计方面，使梁筋的锚固效果最佳，起到“强梁”的作用。但是，梁上筋下弯和梁 下筋上弯，增加了节点核心区的内应力，在地震复杂的水平荷载作用下，梁上筋和梁下筋可能出现以下
7、情况，并以剪、压形式反复交替或同时作用于节点核心区，如图2 所示：图l ：梁筋内弯节点地震荷载下受力分析图从上图可以分析出，梁上筋下弯和梁下筋上弯人节点核心区的“强锚固”，一方面，避免了节点核心区梁筋在混凝土中发生滑移现象，保持节点核心区内的混凝土整体性，从而起到了“强节点”的效果，但更主要是起到了“强梁”的作用。另一方面，也增加了节点核心区的附加内应力。这样，节点核心区的综合内应力增加到一定程度，将超过混凝土的抗剪、疲劳强度，最终使混凝土裂纹、破碎，此时的“强锚固”成为空谈，从而起到了“弱节点”、“弱锚固”的效果；为此，设计规范规定：应进行混凝土抗剪力静态验算，实际上，地震作用下的节点核心区
8、所受综合内应力的方向随地震荷载的变化和震动方向的改变而变化，呈动态状，因此，验算节点核心区内混凝土的疲劳抗剪强度，是不可缺省的。震害调查表明，节点核心区的破坏，主要是箍筋的构造设计不合理、混凝土的被剪切破坏和梁纵筋在节点区锚固不足而引起的；但并不能说明，只有梁上筋下弯和梁下筋上弯人节点核心区的“强锚固”措施，才能“强节点”；梁上筋上弯和梁下筋下弯入柱内，将锚固区域延伸、扩展至节点的上、下柱内，从“强节点弱柱”的原则来讲，未尝不可；一方面，将梁纵筋弯 折段产生的锚固应力分散到柱内，另一方面，还可以加强节点与上、下柱连接的横截面强度。梁上筋上弯和梁下筋下弯，在构造设计方面，梁筋的锚固在静态条件下可
9、能没有达到最佳效果，但锚固长度足够，就不影响梁筋的作用。在动态即地震复杂的水平荷载作用下，梁筋的锚固处所产生的内应力可能出现以下情况，并以剪、压形式反复交替作用，如图3 所示。这种构造设计从某种意义上说，起到了“强节点弱梁”的效果。图2 ：梁筋于节点外弯地震荷载下受力分析图根据有关梁、柱节点破坏后图片分析 3 - 1 1 0 】，梁与节点的脱离，是以梁上、下筋主要在地震水平力作用下，几乎同时被抽出节点来完成的，从这一点来分析，除了增加钢筋的锚固长度外，增大锚固区是非常必要的。显然，“梁上筋上弯和梁下筋下弯”比“梁上筋下弯和梁下筋上弯入节点”的锚固区增大了，受力面积也增大了，这样节点核心区就比后
10、一种锚固方式强得多。为了进一步说明1 8这个问题，可以用湿润的黏土做一面墙，在墙内各预埋“梁上筋上弯和梁下筋下弯的黏土梁和“梁上筋下弯和梁下筋上弯”的黏土梁，当在黏土梁上施加一水平外力直至将黏土梁从湿润的黏土墙内拉出，我们会发现，前一种情况在墙上留下的孔洞比后一种情况大的多，并且施加一水平外力也要 大一些，从而说明前一种情况的锚固效果要好一些。3 节点构造设计的改善综合以上分析，梁上筋下弯和梁下筋上弯人节点核心区的构造设计，并不是最佳构造设计，应尽量避免同一区域实现“强锚固”和“强节点”，换句话说，“强锚固”措施应尽量在“强节点核心区之外的区域来实现，比如做探头梁( 探头梁的长度应满足弯筋对节
11、点核心区的作用很小) ，在探头梁端做梁上筋下弯和梁下筋上弯的构造设计，这样可以大大增强节点核心区混凝土的抗剪力，如图3 一l ；或梁上筋上弯和梁下筋下弯人柱内，尽量避免了弯筋对节点核心区的影响，梁上筋和梁下筋从整体上看，也如同铆钉形，扩大了受力区域，有利于“强节点”，如图3 2 ；节点处梁、柱的正交，并不利于内应力在梁、柱内的传递，如果将节点外轮廓设计成承台型，可以增加梁端截面的受弯承载力，迫使塑性胶不是紧靠而是离开柱边一定的距离形成 2 - 2 3 2 】，应该说是一种比较理想的刚性节点，如图3 3 。在地震作用下，梁与柱在梁下端形成的交叉线是最先开裂的，而承台型节点的结构可以克服这一问题，
12、在力学计算上，又可以作为节点上方柱的“刚性基础”，以便分段简化计算；并且这种造型并不影响建筑物的使用面积。以上构造设计与柱、梁尺寸满足不了节点核心区抗剪强度而增加探头梁的设计出发点是有本质区别的( 尽管外观形状相似) 。图了：节点构造设计改善简图对于顶层端节点，常规做法是，柱梁互不探出，柱筋伸人梁内，梁筋伸入柱内。如果梁端探出柱，柱端探出梁，那么，柱筋、梁筋的弯折段，均从节点内移出，从而改善节点核心区的受力情况 和节点内的配筋密度。在复杂的地震作用下，梁端主筋水平段只要在节点内产生滑移，主筋水平段螺纹钢外表面周围的 昆凝土就要产生裂缝，从而降低节点核心区内的混凝土抗剪、抗压强度；而避免螺纹钢的
13、滑移现象是不可能的，这样经过一次相当级别地震后，节点核心区内的混凝土强度已经受到不同程度的衰减，如果再有第二次震害，梁筋的锚固措施可能只有依赖弯折段钢筋了，而此时节点强度能否抵抗住第二次或第三、四次的地震作用，不得而知。试验表明，圆钢在混凝土中滑移，不会产生圆钢外表面周围的混凝土裂缝：可能产生混凝土粉末) ，在顶层端节点、中间层端节点和顶层端节点等易损部位，采用延性好的圆钢代替螺纹钢，是否是一种较好的改善节点的措施之一呢?对于不需进行抗震验算的节点，梁主要受剪切力和弯矩的作用，从“强梁”角度来谈，“梁上 筋下弯”是必要的。4 结论建筑物的柱、梁及其节点的强度计算，是在构造设计的基础上进行的，如
14、果构造设计出了问题，柱、梁及其节点的强度计算，对建筑物的结构设计而言，也是不完整的，建筑的外观设计也成为空谈；因此在建筑物的关键部位，建筑设计应服从于结构设计，一味地完全服从于建筑设计的设计理1 9念是主观的，是违背科学的。发电厂、变电站牵涉面广，重要性强，是工业建筑中非常重要的建筑 物，改善柱与梁节点结构设计，提高建筑物的抗震性能，是非常必要的。参考文献：1 、混凝土结构设计规范( G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 )2 、王文栋，混凝土结构构造手册第三版( 中国有色工程设计研究院主编，2 0 0 3 年6 月版) ， P 2 3 0 ，中国建筑出版社，北京。3 、薛素铎、赵均、高
15、向宇，建筑抗震设计( 2 0 0 3 年8 月版) ，P l l 0 ，科学出版社，北京。4 、过镇海、时旭东钢筋混凝土原理和分析( 2 0 0 3 年1 2 月版) ，P 1 4 9 ，P 1 5 0 ，P 1 5 7 ，清华大学 出版社，北京。5 、蓝宗建、梁书亭、孟少平混凝土结构设计原理( 2 0 0 2 年4 月版) ，P 4 1 8 ，东南大学出版社，南京。6 、姜忻良一级注册结构师考试修订版( 天津大学土木工程系，2 0 0 3 年6 月版，2 0 0 4 年6 月第 2 次印刷，P 4 2 8 ) ，天津大学出版社，天津。个人简历：王茂成，男，籍贯：山东省蓬莱市，1 9 6 4 年1 1 月生人；1 9 8 7 年毕业于山东工业大学电力系，大学本科；从事送电线路机电、结构设计工作至今，已十六年；现为高级工程师。通信地址：烟台市芝罘区只楚路3 4 号( 邮编2 6 4 0 0 2 ) ，电话0 5 3 5 6 2 2 9 5 7 0 ，传真0 5 3 5 6 2 2 9 5 6 5 ，电子邮件地址：y t w m c 9 9 1 6 3 c o m 孙玉红王韶华：烟台大学，工民建专业，高级工程师该文于2 0 0 4 年7 月2 7 日被 建筑科学类核心杂志提前入选2 0 0 S 年6 月增刊上( 杂 志社已寄来发表费的正式发票) o
