框架結(jié)構(gòu)計(jì)算嵌固端位置的確定方法

李慧林

【摘 要】論文對(duì)無(wú)地下室、采用獨(dú)立基礎(chǔ)的現(xiàn)澆的框架結(jié)構(gòu)的分析模型中框架層數(shù)與嵌固位置的確定方法進(jìn)行了比較與參數(shù)計(jì)算分析，建議底嵌固于室內(nèi)地面的模型進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算與配筋，拉梁以下框架柱的配筋與首層柱底截面配筋相同的處理辦法，不僅可以滿足安全性要求，而且還能更好地體現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的抗震設(shè)計(jì)理念。

【關(guān)鍵詞】框架結(jié)構(gòu);計(jì)算模型;嵌固位置;層數(shù)

【中圖分類號(hào)】TU973? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）01-0161-04

1 問(wèn)題提出

多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是最普遍采用的一種結(jié)構(gòu)形式?？蚣芙Y(jié)構(gòu)一般體型比較規(guī)則，在沒(méi)有引入計(jì)算機(jī)輔助分析之前，通常會(huì)將其平面外的剛度忽略。平面框架中，如果它只在自身平面內(nèi)有抗側(cè)剛度，只能承受自身平面的荷載，在進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算時(shí)，應(yīng)將空間框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，分解成不同方向的平面框架。在計(jì)算的過(guò)程中，平面框架的不同位置取值不同，具體來(lái)說(shuō)，一般梁柱是以截面幾何中心的連線為軸線;框架梁是以兩端相連柱軸線間的距離為計(jì)算跨度;一般框架柱的計(jì)算高層取各層層高，但底層柱較為特殊，一般假設(shè)柱底端是嵌固的，取值是從底層柱的下端點(diǎn)取至基礎(chǔ)頂面。當(dāng)框架結(jié)構(gòu)沒(méi)有地下室且采用獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)有一定的埋置深度，特別當(dāng)?shù)鼗休d力有限或選擇的持力層較深時(shí)，北方有防凍要求地區(qū)必須考慮地基土的凍脹影響，基礎(chǔ)有最小埋置深度要求。在框架柱基礎(chǔ)之間一般設(shè)置基礎(chǔ)拉梁，不僅增加基礎(chǔ)的整體性，同時(shí)，基礎(chǔ)梁還作為外圍護(hù)墻與內(nèi)分割墻的基礎(chǔ)，承擔(dān)其重量并通過(guò)框架柱傳遞到地基。因計(jì)算機(jī)分析手段的不斷普及與提升，被應(yīng)用于各行各業(yè)當(dāng)中，包括對(duì)結(jié)構(gòu)受力的分析。隨著對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能要求的不斷提高，需要更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)受力分析，因此，如何選取適宜的框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型就十分重要，其關(guān)系到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對(duì)上述問(wèn)題，工程設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)考慮，事實(shí)上這中間還需要考慮很多問(wèn)題，例如，梁柱單元節(jié)點(diǎn)區(qū)在分析模型中如何模擬、構(gòu)件間連接剛度的模擬等等，本文主要討論框架結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)嵌固端的取法。

2 國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)圖集的建議

對(duì)于多層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架，關(guān)于其抗震計(jì)算分析時(shí)嵌固端的取法，存在不同的取法：一種為嵌固端取在剛性獨(dú)立基礎(chǔ)上表面，結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型中首層框架梁的層高取基礎(chǔ)上表面到首層樓板，根據(jù)具體情況考慮回填土的側(cè)限作用;另一種是從基礎(chǔ)拉梁上表面算起到首層樓板，由于地基承載力不同，而且北方冬天需要考慮防凍，基礎(chǔ)埋置深度差異較大，使得結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型也存在較大的差異，給結(jié)構(gòu)計(jì)算周期及首層層間位移角的結(jié)果造成了一定的影響。關(guān)于上述情況，國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)相關(guān)圖集將其作為一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題提出來(lái)了，即在多層框架結(jié)構(gòu)中為了達(dá)到抗震設(shè)計(jì)要求常常采用獨(dú)立基礎(chǔ)，在室外地面以下靠近地面處設(shè)置拉梁層時(shí)，結(jié)構(gòu)整體體積模型選取的不是很恰當(dāng)。同時(shí)《圖集》中也對(duì)其原因進(jìn)行了相應(yīng)分析，即當(dāng)多層框架結(jié)構(gòu)為室外地面以下靠近地面處設(shè)置拉梁時(shí)，在計(jì)算整體抗震時(shí)只假定上部結(jié)構(gòu)嵌固在梁頂面處，僅進(jìn)行一次性整體計(jì)算是不太合理的，這種方法對(duì)底層柱在拉梁頂面以上的配筋來(lái)說(shuō)比較合理，但對(duì)其他的配筋可能存在不合理，如底層頂板框架梁的配筋、底層拉梁的配筋以及拉梁層以下基礎(chǔ)頂面以上框架柱的配筋等。因此，要多方面考慮，因?yàn)橹恼嬲豆淌窃诨A(chǔ)頂面。針對(duì)上述問(wèn)題，具有建議性的改進(jìn)措施是：在一次性整體計(jì)算的基礎(chǔ)上，再補(bǔ)充一次結(jié)構(gòu)整體計(jì)算。具體方法為：假定上部結(jié)構(gòu)嵌固于基礎(chǔ)頂面，將拉梁層設(shè)置為一層進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)置室外地面附近的拉梁后，其中的回填土?xí)?duì)其起到約束的作用?；靥钔恋南鄬?duì)剛度應(yīng)取多少，很難定量，如果相對(duì)剛度比值取小了，會(huì)使框架柱配筋偏少;如果取大了，會(huì)使拉梁及底層頂板框架梁的配筋偏少。因此，比較上述兩次計(jì)算的結(jié)果，框架柱和梁的最終配筋應(yīng)選擇其中較大值比較適宜。多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)置拉梁在基礎(chǔ)頂面以上時(shí)，應(yīng)采用彈性樓板總剛分析，需要對(duì)拉梁層樓板全房間開(kāi)洞進(jìn)行定義。同時(shí)，拉梁的抗震構(gòu)造措施要符合框架梁的要求，避免不正確的做法出現(xiàn)，如不設(shè)箍筋加密區(qū)或者不符合箍筋直徑等。另外，需要注意的是，在整體計(jì)算時(shí)，要將拉梁上可能存在的填充墻等荷載考慮進(jìn)去。推薦的方法存在一定的合理性，但是，帶來(lái)的結(jié)果是計(jì)算量的增加以及首層框架梁配筋增加，汶川地震發(fā)生后，大量框架結(jié)構(gòu)的震害證明框架結(jié)構(gòu)沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的預(yù)期目標(biāo)，部分框架發(fā)生了框架柱的嚴(yán)重?fù)p壞甚至整體倒塌。有剛性地面時(shí)，框架柱腳塑性鉸的發(fā)生位置在剛性地面以上而不在基礎(chǔ)頂面?？梢?jiàn)，如何合理選取框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，合理配置構(gòu)件配筋，真正實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”、“大震不倒”的目標(biāo)是設(shè)計(jì)與研究人員亟待解決的問(wèn)題。

3 計(jì)算模型及參數(shù)

現(xiàn)以某市一座5層鋼筋混凝土框架建筑為例，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的定量探討和分析，主要討論選取不同計(jì)算模型后計(jì)算結(jié)果的變化。為了使計(jì)算模型更具有代表性，需要對(duì)其進(jìn)行以下簡(jiǎn)化處理：一是結(jié)合工程的實(shí)際情況，選擇適宜尺寸的柱和主梁并進(jìn)行布置;二是可以忽略局部次梁的布置情況。其中，圖1是模型的平面布置及構(gòu)件基本截面尺寸的示意圖。地面以上的主體結(jié)構(gòu)為5層，各層層高為3m，屋面板與樓板的厚度均為120mm。另外，采用C30等級(jí)的混凝土作為主要的混凝土;框架梁主筋、箍筋、樓板配筋分別采用的鋼筋級(jí)別為HPB400級(jí)、HRB335級(jí)、HRB335級(jí)。該建筑的框架柱采用的是獨(dú)立基礎(chǔ)形式，設(shè)置拉梁于地面附近，基礎(chǔ)頂面距離前層建筑地面為l.5m。另外，該建筑為7度的抗震設(shè)防裂度，三類的場(chǎng)地類別。所涉及的荷載有各層樓面的恒荷載和活荷載、屋面荷載和活荷載、各層主梁上的線荷載，相對(duì)應(yīng)的取值分別為各層樓面的4.5kN/m2和2.0kN/m2、屋面的6.5kN/m2和0.5kN/m2、線荷載布設(shè)為8.0kN/m，通過(guò)上述數(shù)據(jù)來(lái)模擬內(nèi)隔墻或外墻的自重。出于填充墻對(duì)框架抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)考慮，在進(jìn)行地震作用計(jì)算時(shí)，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)計(jì)算周期折減系數(shù)，在此取值為0.7。為了進(jìn)行底層柱嵌固位置的變化以及回填土對(duì)地下室的約束作用的探討，可以選取以下幾個(gè)計(jì)算模型來(lái)進(jìn)行分析：模型1（結(jié)構(gòu)為5層），其是將框架的嵌固端選在地面標(biāo)高位置，在計(jì)算時(shí)不考慮基礎(chǔ)拉梁及拉梁以下框架柱的影響;模型2到模型5（結(jié)構(gòu)均為6層），是將框架的嵌固端選擇在基礎(chǔ)頂面，其中模型2有拉梁，但不考慮對(duì)拉梁層剛性地面的影響以及回填土對(duì)地下室的約束作用，模型3有拉梁且需要考慮剛性地面的影響，不考慮回填土對(duì)地下室的約束作用，此處的剛性地面厚度取100mm。需要注意的是，剛性地面是在回填土基礎(chǔ)上，因此進(jìn)行相應(yīng)分析時(shí)，不需要將地面活荷載考慮在內(nèi)，只需考慮剛性地面質(zhì)量的三分之一參與動(dòng)力。另外，為了比較回填土對(duì)地下室不同程度的側(cè)向約束作用的影響，以模型2（側(cè)剛比為零，沒(méi)有考慮約束作用）的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了更深層的分析計(jì)算，即約束剛度比為1（模型4）與3（模型5）的兩種計(jì)算。圖2為模型立面圖，表1列示了各模型的區(qū)別。

4 模型分析結(jié)果

采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的通用結(jié)構(gòu)軟件SATWE計(jì)算。各模型主要計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?～表4所示。

根據(jù)表2的信息分析得出，在5個(gè)計(jì)算模型信息中模型1的結(jié)構(gòu)總計(jì)算基底剪力最大，因?yàn)槠淝豆涛恢迷诘孛嫖恢?。?duì)比模型2與模型3，除了模型3考慮了剛性地面的影響外，其他條件相同，在此情況下的計(jì)算結(jié)果為模型3的總質(zhì)量略有所增加。比較模擬2、模擬4、模擬5，三者的唯一差別是地下室回填土與結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度不一樣，分別為0、1、3，分析三個(gè)模型的信息可以發(fā)現(xiàn)，隨著側(cè)向剛度比的增加，對(duì)應(yīng)平動(dòng)與扭轉(zhuǎn)的一階周期呈現(xiàn)逐漸縮短的趨勢(shì)。在側(cè)向剛度比取1和取0的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較中發(fā)現(xiàn)，相應(yīng)的基底剪力和周期都有所增加，增加的幅度大概為2%及7%左右。

在表3中列出了五個(gè)模型的Y方向計(jì)算層間位移角變化情況，此處的Y方向（橫向）是指結(jié)構(gòu)地震作用控制的方向。其中，最大層間位移角均小于1/550 的限值，但受到嵌固端的影響，各模型的計(jì)算最大層間位移角均發(fā)生在嵌固層以上的第一相鄰層，模型2～模型5的最大計(jì)算層間位移角發(fā)生在建筑首層，二層及以上各層的層間位移角接近。模型1建筑首層的計(jì)算層間位移角反而大于二層的計(jì)算結(jié)果，明顯低估了首層的層間位移，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意?？紤]地下室回填土的側(cè)限作用后，計(jì)算層間位移底層減小，頂部增加，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度增加。

在表4中，對(duì)五種計(jì)算模型中拉梁層梁柱構(gòu)件與首層梁柱構(gòu)件配筋梁的變化情況進(jìn)行了對(duì)比。就拉梁層而言，其受地震作用的影響較小，該配筋梁滿足梁上豎向荷載作用下的承載力要求即可。就首層柱的配筋而言，模型l的計(jì)算配筋量最大，模型4 （考慮回填土的側(cè)限影響但剛度比取l）的計(jì)算配筋量最小， 而拉梁層框架柱的配筋與模型1中首層對(duì)應(yīng)柱的配筋一致，即按照模型1首層柱的計(jì)算配筋配置拉梁層對(duì)應(yīng)柱的配筋，可以保證拉梁層框架柱的配筋要求，其計(jì)算結(jié)果也比較合理。而首層框架梁的梁端配筋，模型2的框架梁計(jì)算配筋量最大，模型1的計(jì)算配筋梁最小，并且其隨著地下室回填土剛度比的增大逐漸減小。如果鋼筋混凝土的屋蓋與樓蓋是現(xiàn)澆的，需要采用一定的方法來(lái)分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，比如提高框架梁來(lái)計(jì)算抗彎剛度，其在考慮樓板空間作用時(shí)沒(méi)有全面考慮對(duì)框架梁抗彎剛度的影響。但用該方法進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)，其是將框架梁配筋全部配置在梁寬度范圍內(nèi)，沒(méi)有將梁計(jì)算配筋按照比例將部分抗彎鋼筋分配到梁側(cè)面樓板。而現(xiàn)澆混凝土樓板是根據(jù)板的受力情況進(jìn)行獨(dú)立配筋的，使得框架梁的實(shí)際抗彎承載力至少提高了20%，甚至可以提高到90%，進(jìn)而導(dǎo)致框架粱柱的實(shí)際抗彎承載力沒(méi)有滿足我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求。就汶川地震而言，地震災(zāi)區(qū)范圍內(nèi)大量的鋼筋混凝土框架發(fā)生了“強(qiáng)梁弱柱”的破壞模式，其主要是在柱與剛性地面交界面處或基礎(chǔ)拉梁上發(fā)生了柱腳塑性鉸，這些情況都說(shuō)明了現(xiàn)行鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中存在一定問(wèn)題。為了減少地震帶來(lái)的傷害，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾方面：一是樓板配筋對(duì)梁抗彎承載力的影響;二是適當(dāng)?shù)貙⒖蚣芰旱挠?jì)算配筋降低或?qū)⒘旱牟糠钟?jì)算配筋;三是根據(jù)框架梁實(shí)際抗彎承載力，提高框架柱的設(shè)計(jì)彎矩，從而提高框架柱的承載力。結(jié)合地震災(zāi)害現(xiàn)象與計(jì)算分析結(jié)果，可以選擇以下建議，即在計(jì)算現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架時(shí)應(yīng)將嵌固端取在拉梁上表面，這樣模型計(jì)算的結(jié)構(gòu)不僅符合安全性要求，又能將強(qiáng)柱弱梁的抗震設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)出來(lái)。

5 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)分析汶川地震中框架結(jié)構(gòu)震害、建立相關(guān)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型并比較分析，建議實(shí)際工程中無(wú)地下室的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑，柱底可僅按嵌固于室內(nèi)地面的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與配筋，通過(guò)拉梁以下部分的框架柱配筋與首層柱采用相同配筋的辦法，可以做到既安全又經(jīng)濟(jì)。