鋼筋混凝土現(xiàn)澆框架強(qiáng)柱弱梁屈服機(jī)制研究

王 需

0 引言

在鋼筋混凝土框架的設(shè)計(jì)中，應(yīng)以實(shí)現(xiàn)梁鉸機(jī)制為最佳選擇，其次為梁鉸和柱鉸形成的混合鉸機(jī)制，應(yīng)避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)柱鉸破壞機(jī)制。

為此，規(guī)范提出了“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制，保證節(jié)點(diǎn)處柱的抗彎承載力和剛度高于梁端，以形成梁鉸破壞機(jī)制。但是在汶川地震中，大量鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了柱鉸機(jī)制，且結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的損壞，其中重要的一點(diǎn)就是并未實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)思想中“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制的要求，從而造成了大量框架結(jié)構(gòu)的破壞甚至結(jié)構(gòu)倒塌事件。

本文根據(jù)新規(guī)范的強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)要求，分析了影響強(qiáng)柱弱梁屈服機(jī)制形成的原因，提出了實(shí)現(xiàn)該屈服機(jī)制的設(shè)計(jì)方法。

1 鋼筋混凝土框架的要求

GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[1］中保證“強(qiáng)柱弱梁”的措施是考慮控制柱端和梁端的彎矩比，具體規(guī)定如下:

一、二、三、四級框架的梁柱節(jié)點(diǎn)處，除框架頂層和柱軸壓比小于0.15者及框支梁與框支柱的節(jié)點(diǎn)外，柱端組合的彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)符合下列要求:

一級的框架結(jié)構(gòu)和9度的一級框架可不符合上式要求，但應(yīng)符合下式要求:

其中，∑Mc為節(jié)點(diǎn)上下柱端截面順時(shí)針或逆時(shí)針方向組合的彎矩設(shè)計(jì)值之和，上下柱端的彎矩設(shè)計(jì)值，可按彈性分析分配;∑Mb為節(jié)點(diǎn)左右梁截面逆時(shí)針或順時(shí)針方向組合的彎矩設(shè)計(jì)值之和，一級框架節(jié)點(diǎn)作用梁端均為負(fù)彎矩時(shí)，絕對值較小的彎矩應(yīng)取零;∑Mbua為節(jié)點(diǎn)左右梁端截面逆時(shí)針或順時(shí)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，根據(jù)實(shí)配鋼筋面積(計(jì)入梁受壓筋和相關(guān)樓板鋼筋)和材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定;ηc為框架柱端彎矩增大系數(shù);對框架結(jié)構(gòu)一、二、三、四級可分別取1.7，1.5，1.3，1.2;其他結(jié)構(gòu)類型中的框架，一級可取 1.4，二級可取 1.2，三、四級可取 1.1。

GB 50011-2001 2008版建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定一、二、三級柱端彎矩增大系數(shù)為 1.4，1.2，1.1，2010 版新抗震設(shè)計(jì)規(guī)范明顯定義了更加嚴(yán)格的柱端彎矩增大系數(shù)。

2 影響“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制實(shí)現(xiàn)的因素

2.1 現(xiàn)澆板的影響

現(xiàn)澆板中的鋼筋增強(qiáng)了梁端實(shí)際抗彎承載力，對梁端出鉸產(chǎn)生了不利的影響，在正彎矩區(qū)，樓板的配筋參與受力，與框架梁共同作用形成T梁，一定程度提高了框架梁的剛度和承載力;類似的在負(fù)彎矩區(qū)，樓板內(nèi)超配鋼筋的參與工作等同于增加了框架梁的負(fù)彎矩筋，使得框架梁的負(fù)彎矩承載力也大大加強(qiáng)[2］。

美國ACI318-02中定義節(jié)點(diǎn)左右梁的抗彎強(qiáng)度考慮了與梁共同作用的有效翼緣寬度內(nèi)的樓板參與受力，即將帶樓板梁等效為T型梁或Γ型梁。我國現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范雖然大幅度提高了柱端彎矩增大系數(shù)，并對能否實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制有必要進(jìn)行更深入的研究。

2.2 柱軸壓比的影響

現(xiàn)行規(guī)范軸壓比限值偏高是導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力不足的主要原因。

在地震過程中，軸壓比過高容易造成柱壓潰破壞，適當(dāng)控制軸壓比對實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁機(jī)制是非常有益處的。

由于汶川地震中豎向振動很大，巨大的軸壓容易使混凝土壓潰而發(fā)生剝離脫落，從而嚴(yán)重削弱柱端的抗剪能力，而柱端出鉸并不會減小其所受到的地震剪力，因而很容易引起剪切破壞。因此，需要考慮壓彎破壞對柱端抗剪承載力降低的影響，防止柱端混凝土強(qiáng)度嚴(yán)重退化，充分保證“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制的實(shí)現(xiàn)[4］。

2.3 雙向地震作用的影響

在雙向地震作用下，鋼筋混凝土框架柱的受力情況更加復(fù)雜，斜向受到的地震彎矩也會顯著增大，特別是雙向地震的耦合作用將使柱端更容易發(fā)生塑性反應(yīng)，地震作用下框架結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)梁柱鉸，甚至柱鉸的耗能機(jī)制，使得結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力顯著下降。

2.4 人為原因造成的梁端鋼筋超配

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出于安全考慮人為將各構(gòu)件控制截面計(jì)算所得配筋根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加大，人為的增大梁端配筋量，而忽視了對柱配筋的考慮，從而造成實(shí)際配筋中梁端彎矩遠(yuǎn)大于規(guī)范設(shè)計(jì)值，使結(jié)構(gòu)的柱端彎矩小于梁端彎矩，對結(jié)構(gòu)整體抗震性能造成不利。

3 強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素

1)為有效確定現(xiàn)澆樓板對梁強(qiáng)度和承載力的影響，建議在框架設(shè)計(jì)中需要考慮一定板寬范圍內(nèi)的樓板鋼筋參與框架梁的共同受力，才能確保實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”機(jī)制。

2)目前的研究認(rèn)為柱端彎矩增大系數(shù)應(yīng)進(jìn)一步放大，才能形成“強(qiáng)柱弱梁”機(jī)制，建議在后續(xù)工作中進(jìn)一步考察規(guī)范系數(shù)的有效性。

3)考慮到設(shè)計(jì)中的人為因素和材料的離散性等，建議在鋼筋混凝土框架設(shè)計(jì)中，取實(shí)際配筋計(jì)算，或者考慮適當(dāng)?shù)脑黾又伺浣盍骸?/p>

4 結(jié)語

1)2010版建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提出了更加嚴(yán)格的柱端彎矩增大系數(shù)，顯著的提高了強(qiáng)柱弱梁屈服機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，但是其實(shí)際效果有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

2)分析了影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁屈服機(jī)制實(shí)現(xiàn)的因素，其中現(xiàn)澆樓板對鋼筋混凝土梁的剛度和創(chuàng)造力提升顯著，建議在計(jì)算混凝土梁抗彎強(qiáng)度時(shí)考慮與梁共同作用的有效翼緣寬度內(nèi)的樓板參與受力;柱軸壓比是影響柱剛度和承載力的重要因素;雙向地震和人為因素也對強(qiáng)梁弱柱屈服機(jī)制的實(shí)現(xiàn)有一定的影響。

3)針對影響強(qiáng)柱弱梁屈服機(jī)制實(shí)現(xiàn)的幾種因素，建議在設(shè)計(jì)和施工中考慮現(xiàn)澆板配筋對梁剛度和創(chuàng)造力的貢獻(xiàn)。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S］.

[2]楊 紅，王七林，白紹良.雙向水平地震作用下我國框架的“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制[J］.建筑結(jié)構(gòu)，2007，37(8):71-76.

[3]王曉峰，秦 榮，劉光焰.水平荷載作用下框架結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定性研究[J］.山西建筑，2010，36(11):75-76.

[4]葉列平，曲 哲，馬千里，等.從汶川地震框架結(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.

[5]騰祥泉，徐志強(qiáng).框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁影響因素分析及設(shè)計(jì)建議[J］.山西建筑，2010，36(15):54-55.