劉喜平

（陜西理工學(xué)院 土建學(xué)院，漢中723001）

0 前 言

2008年的汶川大地震和1976年的唐山大地震是新中國成立以來，我國發(fā)生的破壞性最強的兩次地震，震中區(qū)幾乎是遭受毀滅性破壞.兩次地震給我國乃至世界的抗震工作者提供了寶貴的第一手震害資料.唐山地震后，我國在磚混結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方面前進了一大步，構(gòu)造柱、圈梁等重要構(gòu)造措施大大提高了磚混結(jié)構(gòu)的抗震性能，這在汶川地震中也得到了很好的驗證；汶川地震中，大量的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出“強梁弱柱”的破壞模式，而規(guī)范所要求的“強柱弱梁”破壞模式幾乎沒有出現(xiàn)，該震害現(xiàn)象引起了結(jié)構(gòu)師的高度重視.早在唐山地震后，研究人員對48幢框架結(jié)構(gòu)震害統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，多數(shù)具有現(xiàn)澆樓板的框架結(jié)構(gòu)，破壞首先在柱中發(fā)生；無現(xiàn)澆樓板的空曠框架，裂縫集中在梁中，且形成了梁端塑性鉸[1].框架結(jié)構(gòu)在我國的兩大地震震害中表現(xiàn)出了相同的狀況，即依據(jù)我國規(guī)范設(shè)計的現(xiàn)澆RC結(jié)構(gòu)，當面對地震作用時，卻未能實現(xiàn)規(guī)范預(yù)期的“強柱弱梁”目標，究其原因有很多方面[2]，其中樓板對框架梁抗彎能力的增強作用是導(dǎo)致這一結(jié)果的一條重要因素，文章在此做以下探討.

1 2001版及現(xiàn)行2010版抗震規(guī)范的相關(guān)規(guī)定

2008年汶川地震發(fā)生時，我國正在使用的抗震規(guī)范是《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011－2001），以下簡稱2001版《抗震規(guī)范》.為了達到框架結(jié)構(gòu)在地震作用下實現(xiàn)“強柱弱梁”的屈服機制，該規(guī)范對其作出以下規(guī)定（具體規(guī)定為6.2.2條文），見表1.

汶川地震發(fā)生后，針對具體的震害狀況，對2001版抗震規(guī)范中的部分條款內(nèi)容進行了修訂，出臺了現(xiàn)行的2010版規(guī)范，其中有關(guān)框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)“強柱弱梁”的條款內(nèi)容，具體修訂如表1所示.

表1 中，ΣMc為節(jié)點上下柱端截面順時針或反時針方向組合的彎矩設(shè)計值之和；ΣMb為節(jié)點左右梁端截面反時針或順時針方向組合的彎矩設(shè)計值之和，一級框架節(jié)點左右梁端均為負彎矩時，絕對值較小的彎矩應(yīng)取零；ΣMbua為節(jié)點左右梁端截面反時針或順時針方向?qū)嵟涞恼孛婵拐鹗軓澇休d力所對應(yīng)的彎矩值之和；ηc為柱端彎矩增大系數(shù).比較新舊兩部規(guī)范中的條款6.2.2可知：現(xiàn)行規(guī)范提高了柱端彎矩增大系數(shù)ηc的取值，但其實質(zhì)仍然是相同的.

表1 新舊規(guī)范[3][4]的部分對比

2 現(xiàn)澆樓板對RC框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)“強柱弱梁”屈服機制的影響

2.1 我國設(shè)計與施工的做法

在現(xiàn)澆RC框架結(jié)構(gòu)中，樓板、梁、柱是一個有機的整體，樓板的存在必定會對框架梁的剛度和承載力有所加強.國內(nèi)外很多研究表明，樓板內(nèi)的鋼筋會使框架梁的實際承載力增大20%～30%[5]，有的甚至更大.2001規(guī)范實施以來，我國在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的實際做法是：為了考慮樓板對框架梁抗彎剛度的提高，將框架中梁和邊梁的剛度按原框架梁矩形截面剛度乘以2.0或1.5的系數(shù).利用這種間接方式來考慮樓板對梁的作用而分析得到的梁端彎矩比按矩形截面梁分析所得的結(jié)果有所擴大，這與梁的實際受力狀況是一致的.然而在施工中，由設(shè)計而算得的梁端抗彎縱筋全部配置在梁矩形截面內(nèi)，而板中仍按照自身受力繼續(xù)配筋，且在按照規(guī)范中（1）公式計算“強柱弱梁”時，通常不考慮樓板內(nèi)與梁肋平行的鋼筋[6].這種設(shè)計考慮與施工做法不一致的現(xiàn)狀，實際上導(dǎo)致了梁端受力縱筋的超配，超配的鋼筋就是：位于梁兩端一定寬度范圍內(nèi)的板中的鋼筋.

要保證設(shè)計與施工的一致性，正常的做法應(yīng)該是：由計算所得的梁端縱向受力鋼筋總量，應(yīng)該分布在矩形截面梁內(nèi)和梁兩端一定寬度范圍內(nèi)的板中；否則，梁端實際的受彎承載力可能因為板中的配筋不同，不同程度的超出設(shè)計中計算所得的承載力.盡管在設(shè)計中我們通過柱端彎矩增大系數(shù)ηc提高了柱端彎矩設(shè)計承載力，但由于梁端鋼筋的可能超強和板中鋼筋的超配導(dǎo)致的梁端的實際承載力不一定就小于ηc的作用下柱端的實際承載力，因此“強柱弱梁”的屈服機制在框架結(jié)構(gòu)的破壞中不一定就能實現(xiàn).

2.2 國外其他國家的設(shè)計與施工的做法[7]

國際上結(jié)構(gòu)抗震研究位于較前列的有美國、加拿大、新西蘭等國家.關(guān)于考慮樓板對框架梁承載力影響的方面，各國情況如下：美國ACI規(guī)范，歐洲EC8規(guī)范、加拿大CSA規(guī)范在作梁端抗負彎矩截面設(shè)計時與中國思路一樣，在計算梁端負彎矩時未要求考慮樓板板筋作用，但他們與中國規(guī)范不同的是由梁端負彎矩計算出來的鋼筋大部分放在梁肋寬度范圍內(nèi)，少部分可以放在規(guī)范規(guī)定的“有效翼緣寬度”內(nèi).其中美國和加拿大規(guī)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(nèi)出現(xiàn)過寬的裂縫.因此，當按實配確定梁端抗彎能力并考慮有效寬度內(nèi)與梁筋平行的鋼筋時，這部分鋼筋可能既有原設(shè)計所需的受拉鋼筋，又有額外的板筋，而只有額外的板筋才屬于“超配”部分.

新西蘭規(guī)范規(guī)定，在確定框架梁所需的負彎矩鋼筋時，可以考慮板有效寬度范圍內(nèi)與梁肋平行的板中鋼筋作為負彎矩受拉鋼筋的組成部分.而框架梁端矩形截面部分的負彎矩鋼筋面積為除去相應(yīng)樓板鋼筋承載力貢獻后的受拉鋼筋面積.

2.3 綜合分析

通過對我國和美國、新西蘭、加拿大等國的相關(guān)規(guī)范條款的比較，并總結(jié)近幾十年來國內(nèi)外有關(guān)的研究成果可知，目前國際上考慮樓板對框架結(jié)構(gòu)的“強柱弱梁”屈服機制影響的設(shè)計思路主要有兩種.一種是：保持現(xiàn)行規(guī)范中ηc的取值不變，而在計算梁端截面的抗彎承載力時直接考慮樓板的貢獻，將樓板對梁端承載能力的增大作用折算成一定寬度內(nèi)的板參與矩形框架梁一起受力，把矩形框架梁等效為T型梁或Г型梁，而這個參與梁一起受力的板寬范圍就是大量研究成果中稱為的“樓板有效翼緣寬度”.另一種是：計算梁截面抗彎承載力時不直接考慮樓板翼緣的作用，通過提高現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的柱端彎矩增大系數(shù)ηc的取值來間接考慮樓板的作用，我國目前規(guī)范采用的便是這種設(shè)計方法；顯然，前一種設(shè)計思想更接近于結(jié)構(gòu)的實際受力，設(shè)計的成果應(yīng)較后一種可靠的多.

從表1可知：汶川地震后我國對抗震規(guī)范的修訂，仍然沿用的是第二種思想；但是實際上，將一定寬度內(nèi)的樓板看做是梁的翼緣，考慮板參與結(jié)構(gòu)受力對梁承載力提高的貢獻，才是真實受力情況的反應(yīng)，而彎矩增大系數(shù)ηc的出現(xiàn)，是結(jié)構(gòu)實現(xiàn)“強柱弱梁”屈服機制所采用的一種措施.單純的提高ηc值只能在一定程度上減緩柱端的屈服，而不能保證“強柱弱梁”屈服機制一定出現(xiàn)；具體的原因分析如下：在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了保證框架結(jié)構(gòu)能出現(xiàn)“強柱弱梁”屈服機制，對于框架等級為二、三、四級的結(jié)構(gòu)，是用公式（1a）中梁端的設(shè)計彎矩值來計算柱端彎矩設(shè)計值的，而并非采用梁端的實際抗彎承載力；而結(jié)構(gòu)中究竟是柱端先出現(xiàn)塑性鉸還是梁端先出現(xiàn)塑性鉸，取決于節(jié)點處梁端和柱端的實際承載能力.所以要確保結(jié)構(gòu)能真正實現(xiàn)“強柱弱梁”，不論是哪一級框架，只有按照梁端的“實配”用公式（1b）去計算，進而保證ΣMcub＞ΣMbua，“強柱弱梁”的目的才能實現(xiàn)..但實際結(jié)構(gòu)中，梁端可能由于各種原因如，內(nèi)力計算方法、配筋由正常使用條件來控制、實際工程鋼筋超配或超強等導(dǎo)致梁端實際彎矩值遠大于計算而得的彎矩設(shè)計值，同時由于我國梁端設(shè)計鋼筋全布置于矩形梁截面內(nèi)，梁兩端一定寬度范圍內(nèi)的樓板中的配筋對梁承載力還有較大程度的提高，綜合這多個因素，僅通過一個ηc值對設(shè)計值的提高而確定出的柱端承載力，不能保證就一定大于梁端的實際承載力.那么是否就意味著ηc值提高后就一定能保證呢？我們說影響“強柱弱梁”實現(xiàn)的因素很多，一部分因素可以計算，還有一部分因素由于地震的不確定性也具有很大的隨機性，僅通過一個確定的數(shù)值想來實現(xiàn)這么一種重要的目的，顯然這種研究方法本身就不夠合理；ηc值太大，設(shè)計不夠經(jīng)濟，也不符合我國當前的實際狀況；ηc值較小，明顯達不到設(shè)計目的.如果非要采用這種方法來完成設(shè)計，究竟該值取多少才算是合理的這在研究中的確是個難點，與其花較大的氣力在它上面，還不如去改進研究方法，完善我們的當前規(guī)范，一切方法以更能接近結(jié)構(gòu)實際受力為宗旨，那么設(shè)計成果定能接近我們的預(yù)期目標.

3 結(jié)論與建議

我國規(guī)范采用的“柱端彎矩增大系數(shù)”的思想是以參考國外規(guī)范取值為主，結(jié)合自己的工程經(jīng)驗確定的，對其控制“強柱弱梁”的效果缺少系統(tǒng)分析驗證，具有一定的局限性；現(xiàn)行2010版抗震規(guī)范，在2001版基礎(chǔ)上對其柱端彎矩增大系數(shù)ηc進行了不同程度的提高，但我們說兩版規(guī)范的實質(zhì)是相同的，可以肯定的是下一次地震來臨時，框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)“強柱弱梁”整體屈服狀況的比例會較汶川地震中提高，但是否能保證按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)一定能在地震中出現(xiàn)“強柱弱梁”的預(yù)期目標，這一點不敢妄言.就如以上分析，我認為當前保證框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“強柱弱梁”屈服機制的研究方向應(yīng)該從結(jié)構(gòu)的實際受力入手，在計算手段許可的條件下，盡量的使規(guī)范中的相關(guān)條款規(guī)定接近實際受力，而不是一味的從方便設(shè)計、簡化設(shè)計的角度出發(fā)，使我們的設(shè)計成果與預(yù)期目標接近.當前情況下考慮樓板對框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)“強柱弱梁”屈服機制的影響，建議可以采取下面幾點措施：

（1）將我國規(guī)范中的相關(guān)條款向國際上抗震發(fā)展水平較前的國家，如新西蘭、加拿大、歐共體等靠近，考慮樓板有效翼緣的作用，并將設(shè)計出的梁端縱向受力鋼筋較合理的分配在矩形梁肋和一定范圍的板寬中，防止再出現(xiàn)我國當前設(shè)計與施工不一致的做法，同時可以減緩梁端板寬中鋼筋超強問題的出現(xiàn).

（2）為確?？蚣芙Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)“強柱弱梁”的目標，如果我國繼續(xù)沿用當前的研究思路，利用柱端彎矩增大系數(shù)ηc與梁端設(shè)計彎矩乘積來確定柱端彎矩，那么增加對二、三、四級框架結(jié)構(gòu)進行“強柱弱梁”條件ΣM cub＞ΣMbua的驗算.這樣做雖增加了設(shè)計工作量，但在當前電算化程度較高的條件下，實現(xiàn)起來并不困難，而且對保證框架結(jié)構(gòu)整體屈服機制的實現(xiàn)有重要意義.

[1]肖從真.漢川地震震害調(diào)查與思考[J].建筑結(jié)構(gòu)，2008，38（7）：21－24.

[2]宮 鋼，史淑琴，苗佳芹.提高底部框架——抗震墻結(jié)構(gòu)綜合抗震能力的措施[J].長春工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，2（4）：55－57.

[3]中華人民共和國國家標準.建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011－2001）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[4]中華人民共和國國家標準.建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011－2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5]馬千里，葉列平，陸新征，馬玉虎.現(xiàn)澆樓板對框架結(jié)構(gòu)柱梁強度比的影響研究[C].汶川地震建筑震害調(diào)查與災(zāi)后重建分析報告論文集，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008，263－271.

[6]葉列平，曲哲，馬千里，林旭川，陸新征，潘 鵬.從汶川地震中框架結(jié)構(gòu)震害談“強柱弱梁”屈服機制的實現(xiàn)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2008，38（11）：52－59.

[7]孫 揚.樓板對RC框架結(jié)構(gòu)強柱弱梁屈服機制的影響[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文，2010：2－15.