钢筋混凝土梁柱节点钢筋密集区域优化设计

钢筋混凝土梁柱节点钢筋密集区域优化设计
摘要：通过改变混凝土梁柱节点区域交叉钢筋的空间布置，由平面交叉改为立体交叉，钢筋的特性得到合理的配置和发挥，提高了梁柱节点核芯区延性、抗震剪切力和冲击力，同时避免因钢筋密集而造成的混凝土浇筑质量问题。

关键词：梁柱节点钢筋密集区域平面交叉立体交叉U形钢筋抗震剪切力抗震冲击力延性
钢筋混凝土梁柱节点区域一般钢筋密集，纵横向梁的受力钢筋在此区域交叉和锚固，致使钢筋间净距和钢筋网眼尺寸减小，形成类似密目滤网的作用（见图1），工程实例证明，导致梁柱节点钢筋密集区域一些主要质量问题：
1、混凝土浇筑困难，泵送混凝土难以直接浇筑到位，多采取二次转运、小批量浇筑，
或采取钢筋安装与混凝土浇筑振淘交替进行，降低工效；
2、混凝土振淘困难，振动棒直径大于钢筋网眼净距，振动棒难以顺利插于新浇混凝
土内工作，振淘不密实；
3、由于交叉钢筋的滤网作用，导致混凝土离析，粗骨料沉积于钢筋网上部，水泥浆
流失，致使柱根部混凝土形成空洞、蜂窝、烂根等质量通病（见图2，3）；
4、纵横交叉的钢筋在节点区域密贴，缩减了钢筋的保护层厚度，降低了锚固抗拉强
度，对节点抗震不利；
5、钢筋混凝土节点区域截面钢筋过于密集，在侧向地震荷载作用下有类似于超筋脆
性破坏的风险和可能；
6、梁柱节点水平钢筋网层的存在，类似于在混凝土柱中水平方向形成断层，造成水
平方向剪应力集中，对结构抗震和节点核芯区抗震非常不利。

图1 典型梁柱节点配筋示意图
图2 典型梁柱节点混凝土质量问题示意图
图3 典型梁柱节点混凝土质量问题实例
随着高层建筑和大跨度工业厂房的增多，设计的钢筋混凝土结构截面配筋率越来越高，同时为了获取较高强度的混凝土，所采用的混凝土粗骨料粒径也越来越大，梁柱节点区域钢筋网眼的尺寸与粗骨料的粒径之间的矛盾越来越突出。

而设计单位一般未就钢筋混凝土梁柱节点作出详细的深化设计，国内也为解决此问题进行有益的探索，方案较多，优劣利弊各异。

一、几种钢筋混凝土梁柱节点设计方案的比较
国内目前解决钢筋混凝土梁柱节点主要采取在梁柱节点核芯混凝土内埋置型钢（H型钢或圆管），以此作为连接构件，而一个方向的钢筋在型钢两侧截断，并采用直螺纹套筒或锥形夹片与型钢等强度连接；另一方向的钢筋则在型钢钻孔穿过，从而避免在核芯混凝土内交叉（见图4）。

图4 典型梁柱节点钢筋型钢连接示意图
另一种方案是扩大混凝土梁柱节点，将柱截面扩大，上下柱实行平缓过渡，以此解决梁柱节点区域钢筋密集和混凝土浇筑振淘困难问题（见图5）。

图5 典型梁柱节点扩大节点示意图
以上两种方案虽然也能解决梁柱节点钢筋密集问题，但都存在施工工序、过程复杂，额外增加费用多的问题，型钢等强度连接只能保证等强度抗拉锚固强度，并不能完全保证地震荷载作用下的惯性抗拉强度。

二、钢筋混凝土梁柱节点优化设计的基本思路
混凝土结构梁柱节点钢筋密集区域优化设计的基本思路是将梁的受力钢筋在核芯混凝土区域内由平面交叉改为立体交叉，上下立体交叉的开口作为混凝土浇筑和振淘的入口，水平方向的U形主筋兼做抗冲切钢筋。

三、钢筋混凝土梁柱节点优化设计方案
应根据梁的类别和配筋情况，基于改受力钢筋平面交叉为立体交叉的基本原则，作出不同的优化设计方案：
1、对于纵横相交与柱顶的连续梁，柱核芯混凝土内纵横向梁的受拉钢筋由直线形弯
折成U形钢筋，纵（横）向梁的受拉钢筋向上弯折成U形钢筋；横（纵）向梁的
受拉钢筋向下弯折成U形钢筋，相向形成的开口作为混凝土浇筑和振淘的入口，
开口向下的U形钢筋需要增加封闭环形箍筋。

受压钢筋则一个方向梁的受压钢筋
弯折成U形钢筋，开口向下的U形受力钢筋不必增加封闭环形箍筋（见图6，7）。

图6 一般纵横相交连续梁钢筋作法图
图7 优化设计的纵横相交连续梁钢筋作法图
2、对于相交与柱顶的T形框架简支梁，柱核芯混凝土内一个方向梁的受拉钢筋和受
压弯折成U形钢筋，开口向下，受拉钢筋需要增加封闭环形箍筋，另一个方向梁的受拉钢筋和受压钢筋保持直线不变。

3、对于多梁相交于柱的复杂梁柱节点，优化设计的基本原则是：1）应保证相对梁的
受力钢筋通长；2）U形钢筋分成高度不同的层次，避免钢筋在空间冲突，其中开口向下的受拉U形钢筋需要增加封闭环形箍筋；3）相对U形钢筋形成的开口作为混凝土浇筑振淘的入口（见图8，9）。

图8 一般多梁纵横相交连续梁钢筋作法示意图
图9 优化设计的多梁纵横相交连续梁钢筋作法示意图
四、钢筋混凝土梁柱节点优化设计方案的技术经济比较
钢筋混凝土梁柱节点优化设计方案改钢筋在节点核芯混凝土区域内平面交叉为立体交叉，不仅解决了混凝土浇筑振淘入口的问题，而且使节点以至于结构的抗震性能都有显著改善和提高。

1、由于核芯混凝土区域钢筋空间位置的改变，钢筋的空间布置更趋合理，钢筋的抗
拉和抗剪强度得到充分发挥。

2、由于核芯混凝土区域钢筋空间位置的改变，彻底消除了平面钢筋网所形成的“断
层”，提高了节点和结构的侧向抗震强度。

3、由于核芯混凝土区域钢筋空间位置的改变，使核芯混凝土的截面配筋率和含钢率
趋于合理，避免了节点区域由于超筋而导致脆性破坏的风险。

4、U形钢筋在梁柱节点区域可以发挥抗冲切筋的作用，提高结构和节点抗垂直地震
荷载的作用，可以部分或完全取代抗冲切筋。

5、U形钢筋有别于一般典型配筋的直线钢筋，可以解决因钢筋平面交叉而造成的钢
筋保护层厚度削弱，锚固抗拉强度降低的问题，进而提高框架结构的延性。

现以上述框架结构为例，基于ANSYS 15.0按照一般典型的配筋和优化配筋两种工况，在同样模型、相同荷载作用和边界条件下分别进行有限元实体对比分析，根据分析结果，比较一般典型的梁柱节点配筋和优化的混凝土梁柱节点配筋的结构和节点在恒载和地震荷载作用下的各项性能。

1、主要参数（Parameters of Materials）
梁柱受力钢筋采用HRB335Ф25；梁柱箍筋采用HPB235 Φ8@200；梁柱节点环形封闭箍筋采用HPB235Φ22；砼采用C30。

其主要参数如表3所示。

表3 材料主要参数表
2、三维实体分析模型（Modeling）
三维实体分析模型如图10示：
图10 模型三维实体图
3、模型分析（Analyzing）
3.1一般典型配筋的框架结构模型与优化配筋的框架结构模型对比分析
一般典型配筋的框架结构模型如图11所示：
图11 一般典型配筋框架结构实体图
优化配筋的框架结构模型如图12所示：
图12 优化配筋框架结构实体图
3.2 恒荷载作用的对比分析
边界条件、约束及加载如图12、13所示：
图12 固定及约束位置（柱底面）
图13 加载（恒荷载）
一般典型配筋框架结构受力钢筋应力分析如图14所示：
图14 一般典型配筋框架结构受力钢筋等效应力分布图（最大为3.2035 MPa）优化配筋框架结构受力钢筋应力分析如图15所示：
图15 优化配筋框架结构受力钢筋等效应力分布图（最大为2.6655 MPa）
3.3 地震作用的对比分析
框架结构在上述恒荷载的条件下，当遭遇为8级烈度地震荷载（其加速度为0.2g),施加响应地震位移谱。

1）梁柱节点受拉钢筋应力分析
当遭遇为8级烈度地震荷载（其加速度为0.2g)，模型在自重和恒荷载作用下的应力分布如图16、17、18、19所示：
图16 地震作用下一般典型配筋框架结构梁钢筋等效应力分布图（最大为7.0306 MPa）
图17 地震作用下典型配筋框架结构梁钢筋等效应力分布图（最大为5.7307 MPa）
图18 地震作用下的一般典型配筋框架梁砼等效应力分布图（最大为2.1818 MPa）
图19 地震作用下的优化配筋框架梁砼等效应力分布图（最大为2.0264 MPa）2）梁柱节点区域混凝土应力分析如图20、21所示：
图20 地震作用下一般典型配筋框架结构的柱砼等效应力分布图（最大为5.047 MPa）
图21 地震作用下优化配筋框架结构的柱砼等效应力分布图（最大为4.4222 MPa）
五、结论
在竖向荷载作用下，由于梁柱节点核芯区钢筋位置得到合理的调整，钢筋的抗拉强度和抗剪强度得意充分发挥，梁柱节点核芯区的刚度明显加强，柱顶的负弯矩区延长，梁的弯矩得到合理的调整和分配，因而梁的抗弯性能有所加强。

当遭遇地震荷载时，其破坏力主要表现为横向的剪切力和竖向的冲切力。

由于梁柱节点刚度增大，上下柱抗震剪应力相应增大，延性增强，地震作用下的横向剪切力主要由梁柱节点的纵向钢筋承担，优化的配筋方案加强了上下柱节点的纵向配筋，且纵向配筋的空间位置合理，U形钢筋加强了节点抵抗垂直地震荷载的能力，对提高节点的抗震剪切力和冲击力非常有利。

与一般典型钢筋混凝土梁柱节点配筋方案相比，在经济效益方面，优化的梁柱节点设计方案也有诸多明显的优势：
1、U形钢筋可以全部或部分取代抗冲切筋，且与受力主筋一起加工制作、安装，节
省工料。

2、优化的钢筋混凝土梁柱节点设计方案的经济效益体现在提高工效，加快施工进度
方面，梁柱混凝土可以一次性浇筑振淘，避免小批量浇筑或模板钢筋安装与混凝
土浇筑振淘交替进行，大大提高了功效。