鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)

□□ 申海洋(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原030006)

摘要：框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞機(jī)制很難實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”。從樓板、圍護(hù)墻和填充墻、梁端負(fù)彎矩以及超配筋現(xiàn)象等方面，分析了影響這種受力機(jī)制的各種因素，提出了相應(yīng)的建議。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)柱弱梁；超配筋；塑性內(nèi)力重分布

文章編號：1009-9441(2015)02-0019-02

中圖分類號：TU 375

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：The failure mechanism of frame structure under seismic action is difficult to achieve “strong column and weak beam”.The author analyzes the various factors affecting the stress mechanism from the floor，enclosure wall and filler wall，beam end negative bending moment and super reinforcement and puts forward the corresponding suggestions.

作者簡介：申海洋(1976-)，男，山西太原人，講師，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)工程方面的教學(xué)與研究工作。

收稿日期：2015-03-19

引言

在現(xiàn)階段的建筑結(jié)構(gòu)體系中，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)由于具有整體性能好、使用空間大、平面布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用占有較大比重。但是，由于其抗側(cè)移能力較小，在水平地震作用下的側(cè)向變形比較大，在地震區(qū)的使用有一定的局限性。所以，框架結(jié)構(gòu)既要有一定的強(qiáng)度，又要有一定的剛度，其綜合性能就顯得尤為重要?！皬?qiáng)柱弱梁”是框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的綜合性能指標(biāo)，對框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力狀態(tài)和破壞特征影響很大。本文就此進(jìn)行分析與探討，供參考。

1相關(guān)規(guī)范的規(guī)定

GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.2.2條規(guī)定：一、二、三、四抗震級框架，柱端組合彎矩∑Mc與梁端組合彎矩∑Mb之間應(yīng)滿足下式要求：∑Mc=ηc∑Mb，式中ηc是>1的系數(shù)，其目的是使梁柱結(jié)點(diǎn)處柱端設(shè)計(jì)彎矩要大于梁端設(shè)計(jì)彎矩，保證梁端屈服框架的地震作用耗能受力機(jī)制，避免出現(xiàn)柱端屈服框架的地震作用倒塌破壞機(jī)制。也就是在設(shè)計(jì)階段，使框架柱端的受彎承載能力大于相應(yīng)的框架梁端受彎承載能力，地震作用下框架梁先于框架柱出現(xiàn)受彎屈服狀態(tài)。同樣的規(guī)定在GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中均有體現(xiàn)。

然而在實(shí)際的工程中，由于各種因素的影響，在地震作用下，框架結(jié)構(gòu)并沒有表現(xiàn)出設(shè)計(jì)之初所賦予的“強(qiáng)柱弱梁”工作機(jī)制，甚至出現(xiàn)了“強(qiáng)梁弱柱”的破壞形式，極大地影響了框架結(jié)構(gòu)的整體受力性能，這與其理論上有較好的整體延性的特點(diǎn)不相符。以下針對影響框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”的各種因素進(jìn)行分析。

2影響因素

2.1　填充墻的影響

框架結(jié)構(gòu)中有很多為了使用功能而設(shè)置的圍護(hù)墻和填充墻，這些墻體是非承重墻，其荷載通過框架梁承擔(dān)，因而對框架的受力性能影響很大。

圍護(hù)墻砌體一般砌在框架平面內(nèi)，外縱墻上為了采光通常有較大的窗戶，這樣一來，框架柱只有下半部分有填充墻，地震作用下這部分填充墻限制了框架的側(cè)向位移，改變了框架柱的變形特點(diǎn)而形成了短柱的受力機(jī)制，導(dǎo)致框架柱可能發(fā)生剪切破壞。

框架平面內(nèi)滿砌填充墻，與框架梁和框架柱直接接觸，地震作用下，這些砌體填充墻變形能力較小，不能與框架梁和框架柱協(xié)調(diào)變形，使得這部分框架的變形減小，也即局部剛度發(fā)生變化，與整個(gè)結(jié)構(gòu)體系變形不協(xié)調(diào)，從而可能導(dǎo)致框架的局部破壞。

填充墻和圍護(hù)墻采用的均為砌塊材料，組砌而成的墻體剛度較大，而且具有一定的自重荷載，當(dāng)框架結(jié)構(gòu)中這種砌體較多時(shí)，會導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的剛度增大，地震作用下的變形周期減小，產(chǎn)生的地震作用力增大，影響整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。

2.2　梁端負(fù)彎矩的影響

根據(jù)框架梁與框架柱在節(jié)點(diǎn)處內(nèi)力平衡的力學(xué)特點(diǎn)，梁端負(fù)彎矩越大，將來對框架柱的強(qiáng)度要求越高。而在內(nèi)力計(jì)算時(shí)，計(jì)算框架梁端彎矩采用的是彈性理論，在受力分析時(shí)，采用的是框架梁的計(jì)算跨度，內(nèi)力的作用面被認(rèn)為是在梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的中心處，這種理論計(jì)算出的框架梁端負(fù)彎矩較大，導(dǎo)致梁端截面處實(shí)際配筋量加大，會給“強(qiáng)柱弱梁”的實(shí)現(xiàn)帶來阻礙。

2.3　樓板的影響

框架結(jié)構(gòu)的樓面為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，框架梁與樓板采用整體澆筑混凝土的方式形成一個(gè)整體，在豎向荷載作用下共同工作，協(xié)調(diào)變形。當(dāng)框架梁端承受負(fù)彎矩時(shí)，樓板處在受拉區(qū)，不考慮樓板的混凝土參與框架梁的受彎工作，但是樓板中的鋼筋要參與框架梁的上部受拉工作，如圖1所示，提高了框架梁的抗彎(負(fù)彎矩)承載能力。當(dāng)框架梁承擔(dān)正彎矩時(shí)，樓板處在受壓區(qū)，要參與梁端受壓工作，相當(dāng)于與框架梁共同形成了一個(gè)T形受彎截面，增大了框架梁的受壓區(qū)面積，從而提高了框架梁在端部的抗彎能力。由于樓板的這種參與工作，增強(qiáng)了框架梁在梁柱交接處的實(shí)際抗彎能力，增大的程度一般在20%～30%，甚至更大，這種增大的效應(yīng)對于大多數(shù)的框架柱會超過規(guī)范規(guī)定的框架柱端彎矩增大系數(shù)，導(dǎo)致柱端承載能力小于梁端承載能力，在地震作用下不按照“事先約定”的“強(qiáng)柱弱梁”的受力模式工作，而是出現(xiàn)了“弱柱強(qiáng)梁”的受力機(jī)制，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)柱鉸意外破壞機(jī)制。

圖1　樓板鋼筋對梁端承載能力的影響

2.4　超配筋現(xiàn)象的影響

按照規(guī)范對強(qiáng)柱弱梁的規(guī)定，只有當(dāng)框架梁柱結(jié)點(diǎn)處的柱端受彎承載能力大于梁端受彎承載能力，才有可能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的受力機(jī)制。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，框架梁按彈性理論計(jì)算相關(guān)內(nèi)力，這種理論計(jì)算結(jié)果偏于安全，用其結(jié)果計(jì)算出的構(gòu)件變形或是裂縫寬度較實(shí)際值偏大，導(dǎo)致裂縫或者變形不滿足規(guī)范要求，梁端配筋按裂縫或變形來配置，加大了梁端配筋數(shù)量。框架梁下部配筋一般是按照跨中最大正彎矩設(shè)計(jì)值來配置，工程中一般的設(shè)置方式是將梁底部鋼筋從框中全部伸入兩端支座進(jìn)行錨固，但是在框架梁端部處的正彎矩很小，這樣一來，就造成了梁端底部鋼筋的超配筋現(xiàn)象。如前所述，在框架梁的受彎承載力計(jì)算中，并未考慮樓板鋼筋的貢獻(xiàn)，但在實(shí)際受力過程中，樓板中的鋼筋對梁的受彎承載能力貢獻(xiàn)較大，板中鋼筋也造成了梁端的超配筋現(xiàn)象。另外，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)階段，通常的做法是根據(jù)梁端計(jì)算彎矩來配置相應(yīng)的受力鋼筋，最終的實(shí)配數(shù)量往往大于計(jì)算鋼筋數(shù)量，并且鋼筋的實(shí)際強(qiáng)度往往大于其設(shè)計(jì)強(qiáng)度，這些因素均導(dǎo)致了梁端超配筋現(xiàn)象。加之設(shè)計(jì)人員對梁的關(guān)注度要大于對柱的關(guān)注度，因?yàn)榭蚣芰撼袚?dān)樓面荷載，處在受彎狀態(tài)，而框架柱一般情況下處在受壓狀態(tài)，受力簡單。綜上所述，框架梁端部的實(shí)際受彎承載能力往往會超過框架柱的受彎承載能力，造成在地震作用下強(qiáng)柱弱梁無法實(shí)現(xiàn)。

3對策建議

(1)填充墻和圍護(hù)墻的處理有兩種方法，一種是施工階段在墻與柱之間留一定空間，用瀝青麻絲等材料填充，墻與框架之間進(jìn)行軟連接，這樣在地震作用下可以減小砌體墻對框架變形的影響；另一種方法是在設(shè)計(jì)階段考慮砌體墻的影響，明確砌體墻在框架中參與受力的這種影響，賦予其一定的承載能力，采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，以保證框架的整體性。

(2)適當(dāng)考慮框架梁在地震作用下的變形能力，允許其端部出現(xiàn)局部的較大塑性變形，即對梁端負(fù)彎矩進(jìn)行調(diào)幅，采用支座端部的內(nèi)力值，減小梁端計(jì)算彎矩，從而減小梁端的配筋數(shù)量。

(3)適當(dāng)考慮樓板對框架梁端受彎承載能力的貢獻(xiàn)，梁端不論是承受正彎矩還是負(fù)彎矩，樓板的影響不容忽視，應(yīng)當(dāng)采用系數(shù)法或者是規(guī)定一定范圍的樓板作為梁的有效翼緣參與受彎工作，以減小梁端配筋。

(4)在進(jìn)行梁端配筋計(jì)算和裂縫及變形驗(yàn)算時(shí)，建議采用梁端內(nèi)力而不是支座中心內(nèi)力。另外，在對框架梁下部配筋時(shí)，跨中部位設(shè)置的鋼筋沒有必要全部伸入支座，而是應(yīng)根據(jù)梁端內(nèi)力和強(qiáng)柱弱梁的需要，同時(shí)結(jié)合一定的構(gòu)造要求，將一部分鋼筋伸入支座，其余鋼筋伸出跨中一定長度即可切斷。同時(shí)控制梁端鋼筋的超配現(xiàn)象，在實(shí)際配筋數(shù)量上，正彎矩鋼筋可適當(dāng)大于計(jì)算值，但是負(fù)彎矩鋼筋不能大于計(jì)算值，宜取0.96～1.0倍的計(jì)算值。

4結(jié)語

影響強(qiáng)柱弱梁的因素很多，目前的規(guī)范對此有一些考慮，但由于地震作用下的梁柱結(jié)點(diǎn)處受力比較復(fù)雜，相應(yīng)的理論研究還比較滯后，計(jì)算軟件程序也有待進(jìn)一步完善。所以，需要相關(guān)工程技術(shù)人員概念清晰，明確梁柱之間的可靠度關(guān)系，采取“概念設(shè)計(jì)，宏觀控制”，以實(shí)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”的受力機(jī)制。

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Realization of Strong Column and Weak Beam of Reinforced Concrete Frame Structure

SHEN Hai-yang

(Shanxi Architectural College，Taiyuan，Shanxi，030006，China)

Key words：strong column and weak beam；over reinforcement；plastic internal force redistribution

(編輯盛晉生)