現(xiàn)澆樓板對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下破壞形式的影響

李瀨

摘 要：根據(jù)中國地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)，2016年，全球3級及以上地震918起，其中，6.0級以上地震118起。這種頻繁的地殼活動對地面建筑物造成極大的影響，一旦震源處于近地表，極易引發(fā)房屋倒塌、地面塌陷和山體滑坡等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡，如1976年的唐山地震，2008年的汶川地震，2010年的玉樹地震等。根據(jù)分析，房屋倒塌導(dǎo)致的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失占到87.5%，所以，對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析是極為必要的。當(dāng)下，建筑的主要結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)該對其在地震作用下的破壞形式展示分析，進(jìn)而采取針對性的抗震措施。鑒于此，本文就現(xiàn)澆樓板對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下破壞形式的影響展開論述。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)澆樓板；鋼筋混凝土框架結(jié)果；地震破壞

中圖分類號： TU94 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）05-64-2

0 引言

眾所周知，中國處于環(huán)太平洋、歐亞板塊和印度洋板塊的交接區(qū)域，地殼活動頻繁，屬于多震國家，對建筑物的抗震要求極高。近些年，隨著社會的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日漸普遍，成為主要的建筑結(jié)構(gòu)形式。這促使人們加強(qiáng)對該結(jié)構(gòu)形式抗震性能的研究，探索鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞形式和影響因素，借此制定針對性的抗震措施，提升建筑物的抗震性能，更好地保護(hù)人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。

1 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞形式

1.1 總體屈服機(jī)制

顧名思義，總體屈服機(jī)制就是框架整體發(fā)生塑形變形，這要求框架柱端的抗彎承載力要大于梁端的抗彎承載力。在地震作用下，建筑物表現(xiàn)為框架的梁端發(fā)生塑形形變，吸收大部分的地震能量，柱端僅吸收少量的地震能量，從而發(fā)揮柱體對建筑物的支撐作用，避免建筑物的完全垮塌，這就是所謂的“強(qiáng)柱弱梁”[1]，是較為理想的抗震形式，能夠較好的降低因建筑物垮塌造成的損失，為震后救援提供便利。

1.2 樓層屈服機(jī)制

所謂樓層屈服機(jī)制是指柱端的抗彎承載力小于框架梁端的抗彎承載力，一旦地震發(fā)生，框架的柱端首先發(fā)生形變，導(dǎo)致柱體遭受破壞，失去對建筑物整體的承載力，造成樓層垮塌[2]。該種破壞形式使得建筑物的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生徹底改變，人員和財物等被掩埋于廢墟當(dāng)中，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，而且不利于震后搜救，是建筑物應(yīng)該竭力避免的。

2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的“強(qiáng)梁弱柱”的產(chǎn)生原因分析

在現(xiàn)行的建筑抗震規(guī)范中，要求建筑物必須采取“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計，即保證框架柱端的抗彎承載力要大于框架梁端的抗彎承載力。然而，對近些年震后建筑的分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑呈現(xiàn)“強(qiáng)梁弱柱”的特點(diǎn)，造成嚴(yán)重的人員和經(jīng)濟(jì)損失。其主要的原因如下：

2.1 忽略現(xiàn)澆樓板對框架梁的力學(xué)增強(qiáng)作用

為了保證建筑物的抗震性能，在建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，都會有意識地削弱框架梁的抗彎承載力，形成框架梁端抗彎承載力低于柱端抗彎承載力的情況，從而確保建筑物在地震中能夠呈現(xiàn)總體屈服，不會發(fā)生整體性垮塌。然而，設(shè)計中對于現(xiàn)澆樓板的力學(xué)增強(qiáng)作用有所忽略，僅考慮L形梁和T形梁受到現(xiàn)澆樓樓板的影響，對其他形式及位置的影響未加考慮，導(dǎo)致鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的梁的抗彎承載力要高于設(shè)計值，造成框架梁“超強(qiáng)”的情況[3]，導(dǎo)致建筑物的框架出現(xiàn)“強(qiáng)梁弱柱”，地震發(fā)生時形成樓層屈服情況，造成建筑物整體垮塌。

2.2 框架結(jié)構(gòu)柱體的軸壓比選擇不當(dāng)

一般情況下，建筑物的柱體應(yīng)該具備足夠的力學(xué)強(qiáng)度，能夠較好的抵御地震作用。然而，實際的設(shè)計過程中，出于美觀和降低成本的考慮，多數(shù)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的柱體截面偏小，導(dǎo)致柱體的軸壓比處于較高水平[4]，一旦發(fā)生地震，柱體將無法抵御更大的軸力，極易造成柱體破壞，造成建筑物的垮塌。這是當(dāng)前建筑物設(shè)計中普遍存在的問題，應(yīng)該引起相關(guān)設(shè)計人員的重視，根據(jù)房屋的抗震等級和區(qū)域范圍內(nèi)的地震可能性進(jìn)行合理設(shè)計，預(yù)留出充足的提升空間抵御地震造成的軸力增加問題。

2.3 未充分考慮填充墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)對框架柱體的影響

總體來說，圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要是指建筑物的外墻、門窗等，是構(gòu)成建筑物封閉空間的重要構(gòu)件。在建筑物設(shè)計中，對此類圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅僅考慮其對框架結(jié)構(gòu)的重力影響，未考慮填充墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)對柱體造成的剪切影響，影響柱體力學(xué)作用的發(fā)揮，成為地震中柱體破壞的重要原因之一。

3 影響現(xiàn)澆樓板對框架梁力學(xué)增強(qiáng)作用的主要因素

綜上可知，現(xiàn)澆樓板對框架梁的力學(xué)增強(qiáng)作用是導(dǎo)致鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“強(qiáng)梁弱柱”情況的主要原因，所以，應(yīng)該對影響其力學(xué)增強(qiáng)作用的主要因素進(jìn)行分析，為降低此類影響提供方向參考。

3.1 節(jié)點(diǎn)類型和橫向梁剛度

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的框架梁的抗彎作用主要借助作用于橫向梁上的彎矩實現(xiàn)，而彎矩的大小與橫向梁受到的垂向拉應(yīng)力呈正比，所以，要想分析節(jié)點(diǎn)類型對框架梁抗彎承載力的影響就需要分析不同類型的節(jié)點(diǎn)對橫向梁產(chǎn)生的垂向拉應(yīng)力的大小。當(dāng)前的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)類型分為兩類，一是內(nèi)節(jié)點(diǎn)，即橫向梁兩次都有現(xiàn)澆樓板；二是外節(jié)點(diǎn)，橫向梁僅有一側(cè)存在現(xiàn)澆樓板。就內(nèi)節(jié)點(diǎn)而言，兩側(cè)的現(xiàn)澆樓板同時對橫向梁產(chǎn)生力的作用，導(dǎo)致橫向梁受力發(fā)生部分抵銷，無形中降低了垂向拉應(yīng)力的大小，導(dǎo)致橫向梁的抗彎增強(qiáng)效果相當(dāng)較低，即便如此，其強(qiáng)度提升效果也能夠達(dá)到17%以上；對于外節(jié)點(diǎn)來說，所以的力都施加于橫向梁之上，導(dǎo)致其抗彎能力增強(qiáng)，根據(jù)French的測試，可以達(dá)到25%以上。[5]由此可見，現(xiàn)澆樓板對框架梁的力學(xué)增強(qiáng)作用的影響時極為顯著的，設(shè)計時應(yīng)該注意。

3.2 樓板內(nèi)的鋼筋

在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，受到現(xiàn)澆樓板的力學(xué)作用影響，建筑物會發(fā)生結(jié)構(gòu)側(cè)移的情況，隨著側(cè)移值的增加，現(xiàn)澆樓板對框架梁的力學(xué)增強(qiáng)作用更為顯著，導(dǎo)致板內(nèi)鋼筋部分或全部參與到力學(xué)增強(qiáng)當(dāng)中。根據(jù)實驗測定，樓板內(nèi)的鋼筋能夠提升框架梁的抗彎能力20%-30%，特殊情況下，甚至能夠達(dá)到100%以上。所以，應(yīng)該充分考慮樓板內(nèi)的鋼筋對框架梁的影響，通過力學(xué)換算將框架梁轉(zhuǎn)化為L形梁或T形梁進(jìn)行設(shè)計計算，從而確?？蚣芰旱牧W(xué)計算值與實際值相符，能夠形成“強(qiáng)柱弱梁”的建筑結(jié)構(gòu)，有效抵御地震作用。

3.3 樓板的有效寬度

在實際的建筑中，樓板內(nèi)鋼筋的應(yīng)力并非均勻分布的，而是以曲線的形式分布，隨著距離的增加，其參與程度大幅降低。所以，在設(shè)計中，當(dāng)距離超過一定范圍時，可以忽略現(xiàn)澆樓板對框架梁的影響，即將現(xiàn)澆樓板進(jìn)行力學(xué)簡化，僅考慮樓板的有效寬度。而樓板有效寬度的取值在不同的震級下有所區(qū)域。在小震作用下，可以根據(jù)材料彈性階段的有效寬度進(jìn)行取值和設(shè)計；在中震、大震作用下，則需要根據(jù)彈塑性階段的有效寬度值進(jìn)行計算和設(shè)計，如此方能滿足鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計要求。

4 降低現(xiàn)澆樓板對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響的具體措施

4.1 適當(dāng)降低現(xiàn)澆樓板的厚度

過厚的現(xiàn)澆樓板對框架梁產(chǎn)生較強(qiáng)的束縛，導(dǎo)致框架梁的塑性鉸形成不充分，影響建筑物“強(qiáng)柱弱梁”結(jié)構(gòu)的形成，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的延性降低，在地震作用下更容易發(fā)生整體性破壞。所以，應(yīng)該適當(dāng)降低現(xiàn)澆樓板的厚度。

4.2 合理選擇樓板的有效寬度

應(yīng)該對樓板進(jìn)行科學(xué)的力學(xué)分析和仿真模擬，探索其在不同震級下對建筑結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而根據(jù)材料特性進(jìn)行樓板寬度的選擇，確保建筑結(jié)構(gòu)能夠有效抵御地震的侵襲，保持結(jié)構(gòu)的相對完整性。

4.3 增大柱端彎矩

當(dāng)前的建筑物抗震規(guī)范中規(guī)定：梁與柱的抗彎承載力的比值應(yīng)該未出在1.1-1.7之間。然而，由于現(xiàn)澆樓板的影響，框架梁的抗彎承載力要大于設(shè)計值。所以，進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以適當(dāng)增大柱端的彎矩，提升柱體的抗彎承載力，從而抵消現(xiàn)澆樓板對框架梁的力學(xué)增強(qiáng)效果，維持建筑的“強(qiáng)柱弱梁”結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語

總體而言，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震能力的提升應(yīng)該圍繞“強(qiáng)柱弱梁”開展，針對現(xiàn)澆樓板對框架梁的力學(xué)增強(qiáng)作用，可以通過合理選擇現(xiàn)澆樓板的尺寸，提升框架柱端的彎矩等形式給予削弱或抵銷，維持建筑的“強(qiáng)柱弱梁”結(jié)構(gòu)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊迎春，楊智良，邱磊.現(xiàn)澆樓板對RC框架結(jié)構(gòu)破壞模式影響的有限元分析[J].合肥學(xué)院學(xué)報（自科版），2012，22（1）：54-56.

[2] 張昊宇，王濤，林旭川，等.尼泊爾8.1級地震鋼筋混凝土框架典型震害及討論[J].工程力學(xué)，2016，33（9）：59-68.

[3] 吳澤家，劉勝光.對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震倒塌破壞研究[J].工程技術(shù)（引文版），2015（26）：294.

[4] 劉伯權(quán)，付國.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗地震倒塌破壞的研究現(xiàn)狀與對策分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2013，30（4）：1-13.