现浇楼板对框架梁刚度的影响

徐宏钢 王心宇

近年来地震频发,2008年中国的汶川8.0级地震,直接经济损失8 451亿元人民币,多个城镇和乡村毁灭;2010年青海玉树7.1级地震,地震损失预计达8 000亿元人民币,当地居民的房屋90%都已经倒塌;2010年中国台湾高雄6.7级地震,余震百余次,损失惨重。2010年海地太子港 7.0级地震,直接经济损失10亿美元。2010年智利第二大城市康塞普西翁8.8级地震,直接经济损失300亿美元。特大地震作用下,钢筋混凝土房屋出现了不同程度的破坏,并导致部分房屋倒塌。对地震中框架结构的房屋进行调查发现,许多正常设计、施工的框架结构出现了柱铰破坏,很少出现抗震设计要求的梁铰破坏,这一现象引起了学者和设计人员的广泛关注[1-3]。众所周知,“强柱弱梁”是我国结构抗震设计的一大准则,这是因为竖向构件破坏会导致建筑结构整体倒塌。在框架结构中,楼板多是与框架梁现浇在一起的,现浇楼板内平行于梁方向的钢筋会参与梁上端受拉,提高梁端负弯矩承载力水平,因此现行规范中规定的“强柱弱梁”要求,实际无法实现。本文对比了国内外各种规范考虑现浇板对框架梁影响的方法,探讨我国规范实现“强柱弱梁”框架设计的有效性,通过有限元分析,揭示了现浇板对框架梁刚度影响的具体规律。

1 我国规范对现浇框架梁板设计的规定

我国现行的GB 50010-2002混凝土结构设计规范和GB 50011-2001建筑抗震设计规范通过增大柱端弯矩设计值的方法来实现“强柱弱梁”,推迟框架柱塑性铰的出现时间。《建筑抗震设计规范》根据不同的抗震等级,要求梁柱节点处柱端抗弯承载力之和与梁端抗弯承载力之和的比值在1.1～1.4之间。规定9度及一级框架结构尚应考虑框架梁的实际受弯承载力;并在《建筑抗震设计规范》条文说明中指出“弯矩增大系数考虑了一定的超配钢筋和钢筋超强”,但对框架梁翼缘现浇板内与梁肋平行的钢筋参与梁端负弯矩承载能力的问题,规范未作明确的规定,只是在《建筑抗震设计规范》条文说明中附带指出,当计算梁端抗震承载力时,若计入楼板内的钢筋,且材料强度标准值考虑一定的超强系数,则可以提高框架结构“强柱弱梁”的程度。

2 国外规范考虑板筋影响的规定

在考虑板筋参与梁工作问题上各国考虑方法也有原则性差别。其中新西兰规范明确规定,在进行梁端截面抗负弯矩设计时,即确定设计所需的负弯矩钢筋时,可以考虑板有效宽度范围内的与梁肋平行的上板面和下板面板筋作为负弯矩受拉钢筋的组成部分。而美国ACI规范,加拿大CSA规范以及欧洲规范Eurocode8在作梁端抗负弯矩截面设计时与我国思路一样,未要求考虑板筋,但与我国规范不同的是,我国规范是将设计所需的梁端负弯矩筋与无现浇板的框架梁一样布置在梁肋顶部的宽度范围内,而上述三种规范规定梁端计算出的负弯矩钢筋除了大部分应放在肋宽范围内,少部分则可放在规范规定的一定板宽范围内。其中美国和加拿大规范认为这样做的目的是避免上部板筋过于拥挤和避免在临近梁肋的板内出现过宽的裂缝。对于板的有效宽度,各国规范都有不同规定[4]。

板有效宽度是一种计算折合宽度,不是板的实际参与宽度,也不是板参与梁抗弯时所能达到的屈服宽度。板有效宽度实际上是将板所提供的有效抗弯能力折算成一定范围内板完全参与受弯(即考虑达到屈服)的一种折算宽度。从各国规范可以看出,目前要准确的给出参与梁端截面抗弯能力的板筋分布有效宽度是比较困难的。板中钢筋的参与程度取决于地震作用下非线性变形的大小,框架梁的塑性铰转角越大,附近板中参与梁作用的钢筋就越多,影响范围也越大。直交梁对板中钢筋的参与程度也有很大影响。根据按中国规范设计的典型框架所能达到的最大层间位移角,可取梁侧每边6倍板厚范围作为板的有效宽度[5]。

3 软件分析结果

根据实际工程条件,对一座10层框架结构进行一定程度的简化,以形成分析用的计算模型,用OpenSEES程序进行Pushover分析,侧向加载模式采用倒三角加载。Pushover方法是将沿结构高度施加某种形式的侧向力,单调作用在结构的计算模型上,然后逐步增加侧向力,使得结构构件逐渐进入塑性状态,结构的梁、柱等构件出现塑性铰,直至结构产生位移超过允许限值,或者结构达到设定的破坏准则而接近倒塌为止[6,7]。这一过程反映了结构的抗侧力弹塑性性能,并得到结构基底剪力和顶点位移的关系曲线,也就是Pushover曲线。

为考虑现浇楼板及其板内钢筋作用,模拟钢筋混凝土梁时采用了两种截面模型:矩形截面和T形截面。采用OpenSEES分析现浇楼板及其板内钢筋对结构地震反应影响时,两模型的差异仅是梁截面对象不同。两个结构模型的Pushover曲线对比见图1。

通过对比梁端抗弯承载力计算不考虑楼板及其钢筋贡献,与考虑楼板及其钢筋贡献结构的底部剪力—顶点位移关系曲线、层间位移以及结构的塑性铰分布及其破坏形式,得到以下主要结论:考虑现浇楼板参与工作后,按现行规范方法进行抗震设计不一定能保证实现“强柱弱梁”的要求,结构有较大可能出现柱铰机制;在抗震设计过程中,为了保证结构的安全,框架梁端抗弯承载力宜计入受压时楼板翼缘或受拉时楼板内钢筋的贡献,即将框架梁等效为T形梁进行设计计算。

4 结语

本文通过对比国内外有关规范规定,并通过对是否考虑楼板影响的两个框架模型计算比较,得到以下结论:

1)按我国现行规范设计的框架结构无法充分保证“强柱弱梁”屈服机制的实现。2)目前要确定参与梁端截面抗弯能力的板筋分布有效宽度很困难,根据按中国规范设计的典型框架所能达到的最大层间位移角,可取梁侧每边6倍板厚范围作为板的有效宽度。3)通过有限元软件分析可以得出,现浇楼板的存在使结构整体抗震能力稍微增加,结构延性也稍微增加,但是增大柱的转动、减小梁的转动,削弱了设计时所期望的“强柱弱梁”效果,改变了梁柱达到屈服状态与极限状态的先后顺序。在设计中应将带楼板的框架梁等效为T形梁进行设计计算来考虑现浇楼板的影响。

[1] 叶列平,曲 哲,马千里,等.从汶川地震中框架结构震害谈“强柱弱梁”屈服机制的实现[J].建筑结构,2008,38(11):52-59.

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[5] 刘 冰.对板筋参与梁端负力有效宽度取值问题的研究[J].科技资讯,2006(23):40.

[6] 傅学怡,贾建英.整浇钢筋混凝土楼盖梁扭转性能研究[J].深圳大学学报(理工版),2003,20(2):1-10.

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