徐宏鋼 王心宇

近年來地震頻發(fā),2008年中國的汶川8.0級(jí)地震,直接經(jīng)濟(jì)損失8 451億元人民幣,多個(gè)城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村毀滅;2010年青海玉樹7.1級(jí)地震,地震損失預(yù)計(jì)達(dá)8 000億元人民幣,當(dāng)?shù)鼐用竦姆课?0%都已經(jīng)倒塌;2010年中國臺(tái)灣高雄6.7級(jí)地震,余震百余次,損失慘重。2010年海地太子港 7.0級(jí)地震,直接經(jīng)濟(jì)損失10億美元。2010年智利第二大城市康塞普西翁8.8級(jí)地震,直接經(jīng)濟(jì)損失300億美元。特大地震作用下,鋼筋混凝土房屋出現(xiàn)了不同程度的破壞,并導(dǎo)致部分房屋倒塌。對(duì)地震中框架結(jié)構(gòu)的房屋進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn),許多正常設(shè)計(jì)、施工的框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了柱鉸破壞,很少出現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)要求的梁鉸破壞,這一現(xiàn)象引起了學(xué)者和設(shè)計(jì)人員的廣泛關(guān)注[1-3]。眾所周知,“強(qiáng)柱弱梁”是我國結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的一大準(zhǔn)則,這是因?yàn)樨Q向構(gòu)件破壞會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)整體倒塌。在框架結(jié)構(gòu)中,樓板多是與框架梁現(xiàn)澆在一起的,現(xiàn)澆樓板內(nèi)平行于梁方向的鋼筋會(huì)參與梁上端受拉,提高梁端負(fù)彎矩承載力水平,因此現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的“強(qiáng)柱弱梁”要求,實(shí)際無法實(shí)現(xiàn)。本文對(duì)比了國內(nèi)外各種規(guī)范考慮現(xiàn)澆板對(duì)框架梁影響的方法,探討我國規(guī)范實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”框架設(shè)計(jì)的有效性,通過有限元分析,揭示了現(xiàn)澆板對(duì)框架梁剛度影響的具體規(guī)律。

1 我國規(guī)范對(duì)現(xiàn)澆框架梁板設(shè)計(jì)的規(guī)定

我國現(xiàn)行的GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范通過增大柱端彎矩設(shè)計(jì)值的方法來實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”,推遲框架柱塑性鉸的出現(xiàn)時(shí)間。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)不同的抗震等級(jí),要求梁柱節(jié)點(diǎn)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(guī)定9度及一級(jí)框架結(jié)構(gòu)尚應(yīng)考慮框架梁的實(shí)際受彎承載力;并在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明中指出“彎矩增大系數(shù)考慮了一定的超配鋼筋和鋼筋超強(qiáng)”,但對(duì)框架梁翼緣現(xiàn)澆板內(nèi)與梁肋平行的鋼筋參與梁端負(fù)彎矩承載能力的問題,規(guī)范未作明確的規(guī)定,只是在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明中附帶指出,當(dāng)計(jì)算梁端抗震承載力時(shí),若計(jì)入樓板內(nèi)的鋼筋,且材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值考慮一定的超強(qiáng)系數(shù),則可以提高框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”的程度。

2 國外規(guī)范考慮板筋影響的規(guī)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(guī)范明確規(guī)定,在進(jìn)行梁端截面抗負(fù)彎矩設(shè)計(jì)時(shí),即確定設(shè)計(jì)所需的負(fù)彎矩鋼筋時(shí),可以考慮板有效寬度范圍內(nèi)的與梁肋平行的上板面和下板面板筋作為負(fù)彎矩受拉鋼筋的組成部分。而美國ACI規(guī)范,加拿大CSA規(guī)范以及歐洲規(guī)范Eurocode8在作梁端抗負(fù)彎矩截面設(shè)計(jì)時(shí)與我國思路一樣,未要求考慮板筋,但與我國規(guī)范不同的是,我國規(guī)范是將設(shè)計(jì)所需的梁端負(fù)彎矩筋與無現(xiàn)澆板的框架梁一樣布置在梁肋頂部的寬度范圍內(nèi),而上述三種規(guī)范規(guī)定梁端計(jì)算出的負(fù)彎矩鋼筋除了大部分應(yīng)放在肋寬范圍內(nèi),少部分則可放在規(guī)范規(guī)定的一定板寬范圍內(nèi)。其中美國和加拿大規(guī)范認(rèn)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(nèi)出現(xiàn)過寬的裂縫。對(duì)于板的有效寬度,各國規(guī)范都有不同規(guī)定[4]。

板有效寬度是一種計(jì)算折合寬度,不是板的實(shí)際參與寬度,也不是板參與梁抗彎時(shí)所能達(dá)到的屈服寬度。板有效寬度實(shí)際上是將板所提供的有效抗彎能力折算成一定范圍內(nèi)板完全參與受彎(即考慮達(dá)到屈服)的一種折算寬度。從各國規(guī)范可以看出,目前要準(zhǔn)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(zhuǎn)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(duì)板中鋼筋的參與程度也有很大影響。根據(jù)按中國規(guī)范設(shè)計(jì)的典型框架所能達(dá)到的最大層間位移角,可取梁側(cè)每邊6倍板厚范圍作為板的有效寬度[5]。

3 軟件分析結(jié)果

根據(jù)實(shí)際工程條件,對(duì)一座10層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的簡化,以形成分析用的計(jì)算模型,用OpenSEES程序進(jìn)行Pushover分析,側(cè)向加載模式采用倒三角加載。Pushover方法是將沿結(jié)構(gòu)高度施加某種形式的側(cè)向力,單調(diào)作用在結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型上,然后逐步增加側(cè)向力,使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài),結(jié)構(gòu)的梁、柱等構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸,直至結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移超過允許限值,或者結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)定的破壞準(zhǔn)則而接近倒塌為止[6,7]。這一過程反映了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力彈塑性性能,并得到結(jié)構(gòu)基底剪力和頂點(diǎn)位移的關(guān)系曲線,也就是Pushover曲線。

為考慮現(xiàn)澆樓板及其板內(nèi)鋼筋作用,模擬鋼筋混凝土梁時(shí)采用了兩種截面模型:矩形截面和T形截面。采用OpenSEES分析現(xiàn)澆樓板及其板內(nèi)鋼筋對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響時(shí),兩模型的差異僅是梁截面對(duì)象不同。兩個(gè)結(jié)構(gòu)模型的Pushover曲線對(duì)比見圖1。

通過對(duì)比梁端抗彎承載力計(jì)算不考慮樓板及其鋼筋貢獻(xiàn),與考慮樓板及其鋼筋貢獻(xiàn)結(jié)構(gòu)的底部剪力—頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線、層間位移以及結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布及其破壞形式,得到以下主要結(jié)論:考慮現(xiàn)澆樓板參與工作后,按現(xiàn)行規(guī)范方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)不一定能保證實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的要求,結(jié)構(gòu)有較大可能出現(xiàn)柱鉸機(jī)制;在抗震設(shè)計(jì)過程中,為了保證結(jié)構(gòu)的安全,框架梁端抗彎承載力宜計(jì)入受壓時(shí)樓板翼緣或受拉時(shí)樓板內(nèi)鋼筋的貢獻(xiàn),即將框架梁等效為T形梁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)比國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范規(guī)定,并通過對(duì)是否考慮樓板影響的兩個(gè)框架模型計(jì)算比較,得到以下結(jié)論:

1)按我國現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)無法充分保證“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。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(jù)按中國規(guī)范設(shè)計(jì)的典型框架所能達(dá)到的最大層間位移角,可取梁側(cè)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(xiàn)澆樓板的存在使結(jié)構(gòu)整體抗震能力稍微增加,結(jié)構(gòu)延性也稍微增加,但是增大柱的轉(zhuǎn)動(dòng)、減小梁的轉(zhuǎn)動(dòng),削弱了設(shè)計(jì)時(shí)所期望的“強(qiáng)柱弱梁”效果,改變了梁柱達(dá)到屈服狀態(tài)與極限狀態(tài)的先后順序。在設(shè)計(jì)中應(yīng)將帶樓板的框架梁等效為T形梁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算來考慮現(xiàn)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(jié)構(gòu)震害談“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制的實(shí)現(xiàn)[J].建筑結(jié)構(gòu),2008,38(11):52-59.

[2] 王亞勇.汶川地震建筑震害訓(xùn)示——抗震概念設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2008,29(4):20-25.

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