現澆樓板對框架梁剛度的影響

徐宏鋼 王心宇

近年來地震頻發,2008年中國的汶川8.0級地震,直接經濟損失8 451億元人民幣,多個城鎮和鄉村毀滅;2010年青海玉樹7.1級地震,地震損失預計達8 000億元人民幣,當地居民的房屋90%都已經倒塌;2010年中國臺灣高雄6.7級地震,余震百余次,損失慘重。2010年海地太子港 7.0級地震,直接經濟損失10億美元。2010年智利第二大城市康塞普西翁8.8級地震,直接經濟損失300億美元。特大地震作用下,鋼筋混凝土房屋出現了不同程度的破壞,并導致部分房屋倒塌。對地震中框架結構的房屋進行調查發現,許多正常設計、施工的框架結構出現了柱鉸破壞,很少出現抗震設計要求的梁鉸破壞,這一現象引起了學者和設計人員的廣泛關注[1-3]。眾所周知,“強柱弱梁”是我國結構抗震設計的一大準則,這是因為豎向構件破壞會導致建筑結構整體倒塌。在框架結構中,樓板多是與框架梁現澆在一起的,現澆樓板內平行于梁方向的鋼筋會參與梁上端受拉,提高梁端負彎矩承載力水平,因此現行規范中規定的“強柱弱梁”要求,實際無法實現。本文對比了國內外各種規范考慮現澆板對框架梁影響的方法,探討我國規范實現“強柱弱梁”框架設計的有效性,通過有限元分析,揭示了現澆板對框架梁剛度影響的具體規律。

1 我國規范對現澆框架梁板設計的規定

我國現行的GB 50010-2002混凝土結構設計規范和GB 50011-2001建筑抗震設計規范通過增大柱端彎矩設計值的方法來實現“強柱弱梁”,推遲框架柱塑性鉸的出現時間?！督ㄖ拐鹪O計規范》根據不同的抗震等級,要求梁柱節點處柱端抗彎承載力之和與梁端抗彎承載力之和的比值在1.1～1.4之間。規定9度及一級框架結構尚應考慮框架梁的實際受彎承載力;并在《建筑抗震設計規范》條文說明中指出“彎矩增大系數考慮了一定的超配鋼筋和鋼筋超強”,但對框架梁翼緣現澆板內與梁肋平行的鋼筋參與梁端負彎矩承載能力的問題,規范未作明確的規定,只是在《建筑抗震設計規范》條文說明中附帶指出,當計算梁端抗震承載力時,若計入樓板內的鋼筋,且材料強度標準值考慮一定的超強系數,則可以提高框架結構“強柱弱梁”的程度。

2 國外規范考慮板筋影響的規定

在考慮板筋參與梁工作問題上各國考慮方法也有原則性差別。其中新西蘭規范明確規定,在進行梁端截面抗負彎矩設計時,即確定設計所需的負彎矩鋼筋時,可以考慮板有效寬度范圍內的與梁肋平行的上板面和下板面板筋作為負彎矩受拉鋼筋的組成部分。而美國ACI規范,加拿大CSA規范以及歐洲規范Eurocode8在作梁端抗負彎矩截面設計時與我國思路一樣,未要求考慮板筋,但與我國規范不同的是,我國規范是將設計所需的梁端負彎矩筋與無現澆板的框架梁一樣布置在梁肋頂部的寬度范圍內,而上述三種規范規定梁端計算出的負彎矩鋼筋除了大部分應放在肋寬范圍內,少部分則可放在規范規定的一定板寬范圍內。其中美國和加拿大規范認為這樣做的目的是避免上部板筋過于擁擠和避免在臨近梁肋的板內出現過寬的裂縫。對于板的有效寬度,各國規范都有不同規定[4]。

板有效寬度是一種計算折合寬度,不是板的實際參與寬度,也不是板參與梁抗彎時所能達到的屈服寬度。板有效寬度實際上是將板所提供的有效抗彎能力折算成一定范圍內板完全參與受彎(即考慮達到屈服)的一種折算寬度。從各國規范可以看出,目前要準確的給出參與梁端截面抗彎能力的板筋分布有效寬度是比較困難的。板中鋼筋的參與程度取決于地震作用下非線性變形的大小,框架梁的塑性鉸轉角越大,附近板中參與梁作用的鋼筋就越多,影響范圍也越大。直交梁對板中鋼筋的參與程度也有很大影響。根據按中國規范設計的典型框架所能達到的最大層間位移角,可取梁側每邊6倍板厚范圍作為板的有效寬度[5]。

3 軟件分析結果

根據實際工程條件,對一座10層框架結構進行一定程度的簡化,以形成分析用的計算模型,用OpenSEES程序進行Pushover分析,側向加載模式采用倒三角加載。Pushover方法是將沿結構高度施加某種形式的側向力,單調作用在結構的計算模型上,然后逐步增加側向力,使得結構構件逐漸進入塑性狀態,結構的梁、柱等構件出現塑性鉸,直至結構產生位移超過允許限值,或者結構達到設定的破壞準則而接近倒塌為止[6,7]。這一過程反映了結構的抗側力彈塑性性能,并得到結構基底剪力和頂點位移的關系曲線,也就是Pushover曲線。

為考慮現澆樓板及其板內鋼筋作用,模擬鋼筋混凝土梁時采用了兩種截面模型:矩形截面和T形截面。采用OpenSEES分析現澆樓板及其板內鋼筋對結構地震反應影響時,兩模型的差異僅是梁截面對象不同。兩個結構模型的Pushover曲線對比見圖1。

通過對比梁端抗彎承載力計算不考慮樓板及其鋼筋貢獻,與考慮樓板及其鋼筋貢獻結構的底部剪力—頂點位移關系曲線、層間位移以及結構的塑性鉸分布及其破壞形式,得到以下主要結論:考慮現澆樓板參與工作后,按現行規范方法進行抗震設計不一定能保證實現“強柱弱梁”的要求,結構有較大可能出現柱鉸機制;在抗震設計過程中,為了保證結構的安全,框架梁端抗彎承載力宜計入受壓時樓板翼緣或受拉時樓板內鋼筋的貢獻,即將框架梁等效為T形梁進行設計計算。

4 結語

本文通過對比國內外有關規范規定,并通過對是否考慮樓板影響的兩個框架模型計算比較,得到以下結論:

1)按我國現行規范設計的框架結構無法充分保證“強柱弱梁”屈服機制的實現。2)目前要確定參與梁端截面抗彎能力的板筋分布有效寬度很困難,根據按中國規范設計的典型框架所能達到的最大層間位移角,可取梁側每邊6倍板厚范圍作為板的有效寬度。3)通過有限元軟件分析可以得出,現澆樓板的存在使結構整體抗震能力稍微增加,結構延性也稍微增加,但是增大柱的轉動、減小梁的轉動,削弱了設計時所期望的“強柱弱梁”效果,改變了梁柱達到屈服狀態與極限狀態的先后順序。在設計中應將帶樓板的框架梁等效為T形梁進行設計計算來考慮現澆樓板的影響。

[1] 葉列平,曲 哲,馬千里,等.從汶川地震中框架結構震害談“強柱弱梁”屈服機制的實現[J].建筑結構,2008,38(11):52-59.

[2] 王亞勇.汶川地震建筑震害訓示——抗震概念設計[J].建筑結構學報,2008,29(4):20-25.

[3] 車 軼,尤 杰.中歐抗震設計規范關于“強柱弱梁”設計比較[J].大連理工大學學報,2009,49(5):758-763.

[4] 吳 勇,雷汲川,楊 紅,等.板筋參與梁端負彎矩承載力問題的探討[J].重慶建筑大學學報,2002,24(3):33-37.

[5] 劉 冰.對板筋參與梁端負力有效寬度取值問題的研究[J].科技資訊,2006(23):40.

[6] 傅學怡,賈建英.整澆鋼筋混凝土樓蓋梁扭轉性能研究[J].深圳大學學報(理工版),2003,20(2):1-10.

[7] 管民生,杜宏彪.現澆樓板參與工作后框架結構的pushover分析研究[J].地震工程與工程振動,2005,25(5):117-123.

[8] 常占東,梁振龍.沈陽金茂大廈組合框架結構抗震設計[J].山西建筑,2008,34(20):68-69.