楼板对RC框架结构“强柱弱梁”屈服机制的影响

刘喜平

（陕西理工学院 土建学院，汉中723001）

0 前 言

2008年的汶川大地震和1976年的唐山大地震是新中国成立以来，我国发生的破坏性最强的两次地震，震中区几乎是遭受毁灭性破坏.两次地震给我国乃至世界的抗震工作者提供了宝贵的第一手震害资料.唐山地震后，我国在砖混结构的抗震设计方面前进了一大步，构造柱、圈梁等重要构造措施大大提高了砖混结构的抗震性能，这在汶川地震中也得到了很好的验证；汶川地震中，大量的钢筋混凝土框架结构呈现出“强梁弱柱”的破坏模式，而规范所要求的“强柱弱梁”破坏模式几乎没有出现，该震害现象引起了结构师的高度重视.早在唐山地震后，研究人员对48幢框架结构震害统计发现，多数具有现浇楼板的框架结构，破坏首先在柱中发生；无现浇楼板的空旷框架，裂缝集中在梁中，且形成了梁端塑性铰[1].框架结构在我国的两大地震震害中表现出了相同的状况，即依据我国规范设计的现浇RC结构，当面对地震作用时，却未能实现规范预期的“强柱弱梁”目标，究其原因有很多方面[2]，其中楼板对框架梁抗弯能力的增强作用是导致这一结果的一条重要因素，文章在此做以下探讨.

1 2001版及现行2010版抗震规范的相关规定

2008年汶川地震发生时，我国正在使用的抗震规范是《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001），以下简称2001版《抗震规范》.为了达到框架结构在地震作用下实现“强柱弱梁”的屈服机制，该规范对其作出以下规定（具体规定为6.2.2条文），见表1.

汶川地震发生后，针对具体的震害状况，对2001版抗震规范中的部分条款内容进行了修订，出台了现行的2010版规范，其中有关框架结构实现“强柱弱梁”的条款内容，具体修订如表1所示.

表1 中，ΣMc为节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和；ΣMb为节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和，一级框架节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取零；ΣMbua为节点左右梁端截面反时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值之和；ηc为柱端弯矩增大系数.比较新旧两部规范中的条款6.2.2可知：现行规范提高了柱端弯矩增大系数ηc的取值，但其实质仍然是相同的.

表1 新旧规范[3][4]的部分对比

2 现浇楼板对RC框架结构实现“强柱弱梁”屈服机制的影响

2.1 我国设计与施工的做法

在现浇RC框架结构中，楼板、梁、柱是一个有机的整体，楼板的存在必定会对框架梁的刚度和承载力有所加强.国内外很多研究表明，楼板内的钢筋会使框架梁的实际承载力增大20%～30%[5]，有的甚至更大.2001规范实施以来，我国在结构设计中的实际做法是：为了考虑楼板对框架梁抗弯刚度的提高，将框架中梁和边梁的刚度按原框架梁矩形截面刚度乘以2.0或1.5的系数.利用这种间接方式来考虑楼板对梁的作用而分析得到的梁端弯矩比按矩形截面梁分析所得的结果有所扩大，这与梁的实际受力状况是一致的.然而在施工中，由设计而算得的梁端抗弯纵筋全部配置在梁矩形截面内，而板中仍按照自身受力继续配筋，且在按照规范中（1）公式计算“强柱弱梁”时，通常不考虑楼板内与梁肋平行的钢筋[6].这种设计考虑与施工做法不一致的现状，实际上导致了梁端受力纵筋的超配，超配的钢筋就是：位于梁两端一定宽度范围内的板中的钢筋.

要保证设计与施工的一致性，正常的做法应该是：由计算所得的梁端纵向受力钢筋总量，应该分布在矩形截面梁内和梁两端一定宽度范围内的板中；否则，梁端实际的受弯承载力可能因为板中的配筋不同，不同程度的超出设计中计算所得的承载力.尽管在设计中我们通过柱端弯矩增大系数ηc提高了柱端弯矩设计承载力，但由于梁端钢筋的可能超强和板中钢筋的超配导致的梁端的实际承载力不一定就小于ηc的作用下柱端的实际承载力，因此“强柱弱梁”的屈服机制在框架结构的破坏中不一定就能实现.

2.2 国外其他国家的设计与施工的做法[7]

国际上结构抗震研究位于较前列的有美国、加拿大、新西兰等国家.关于考虑楼板对框架梁承载力影响的方面，各国情况如下：美国ACI规范，欧洲EC8规范、加拿大CSA规范在作梁端抗负弯矩截面设计时与中国思路一样，在计算梁端负弯矩时未要求考虑楼板板筋作用，但他们与中国规范不同的是由梁端负弯矩计算出来的钢筋大部分放在梁肋宽度范围内，少部分可以放在规范规定的“有效翼缘宽度”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.因此，当按实配确定梁端抗弯能力并考虑有效宽度内与梁筋平行的钢筋时，这部分钢筋可能既有原设计所需的受拉钢筋，又有额外的板筋，而只有额外的板筋才属于“超配”部分.

新西兰规范规定，在确定框架梁所需的负弯矩钢筋时，可以考虑板有效宽度范围内与梁肋平行的板中钢筋作为负弯矩受拉钢筋的组成部分.而框架梁端矩形截面部分的负弯矩钢筋面积为除去相应楼板钢筋承载力贡献后的受拉钢筋面积.

2.3 综合分析

通过对我国和美国、新西兰、加拿大等国的相关规范条款的比较，并总结近几十年来国内外有关的研究成果可知，目前国际上考虑楼板对框架结构的“强柱弱梁”屈服机制影响的设计思路主要有两种.一种是：保持现行规范中ηc的取值不变，而在计算梁端截面的抗弯承载力时直接考虑楼板的贡献，将楼板对梁端承载能力的增大作用折算成一定宽度内的板参与矩形框架梁一起受力，把矩形框架梁等效为T型梁或Г型梁，而这个参与梁一起受力的板宽范围就是大量研究成果中称为的“楼板有效翼缘宽度”.另一种是：计算梁截面抗弯承载力时不直接考虑楼板翼缘的作用，通过提高现行规范中规定的柱端弯矩增大系数ηc的取值来间接考虑楼板的作用，我国目前规范采用的便是这种设计方法；显然，前一种设计思想更接近于结构的实际受力，设计的成果应较后一种可靠的多.

从表1可知：汶川地震后我国对抗震规范的修订，仍然沿用的是第二种思想；但是实际上，将一定宽度内的楼板看做是梁的翼缘，考虑板参与结构受力对梁承载力提高的贡献，才是真实受力情况的反应，而弯矩增大系数ηc的出现，是结构实现“强柱弱梁”屈服机制所采用的一种措施.单纯的提高ηc值只能在一定程度上减缓柱端的屈服，而不能保证“强柱弱梁”屈服机制一定出现；具体的原因分析如下：在结构设计中，为了保证框架结构能出现“强柱弱梁”屈服机制，对于框架等级为二、三、四级的结构，是用公式（1a）中梁端的设计弯矩值来计算柱端弯矩设计值的，而并非采用梁端的实际抗弯承载力；而结构中究竟是柱端先出现塑性铰还是梁端先出现塑性铰，取决于节点处梁端和柱端的实际承载能力.所以要确保结构能真正实现“强柱弱梁”，不论是哪一级框架，只有按照梁端的“实配”用公式（1b）去计算，进而保证ΣMcub＞ΣMbua，“强柱弱梁”的目的才能实现..但实际结构中，梁端可能由于各种原因如，内力计算方法、配筋由正常使用条件来控制、实际工程钢筋超配或超强等导致梁端实际弯矩值远大于计算而得的弯矩设计值，同时由于我国梁端设计钢筋全布置于矩形梁截面内，梁两端一定宽度范围内的楼板中的配筋对梁承载力还有较大程度的提高，综合这多个因素，仅通过一个ηc值对设计值的提高而确定出的柱端承载力，不能保证就一定大于梁端的实际承载力.那么是否就意味着ηc值提高后就一定能保证呢？我们说影响“强柱弱梁”实现的因素很多，一部分因素可以计算，还有一部分因素由于地震的不确定性也具有很大的随机性，仅通过一个确定的数值想来实现这么一种重要的目的，显然这种研究方法本身就不够合理；ηc值太大，设计不够经济，也不符合我国当前的实际状况；ηc值较小，明显达不到设计目的.如果非要采用这种方法来完成设计，究竟该值取多少才算是合理的这在研究中的确是个难点，与其花较大的气力在它上面，还不如去改进研究方法，完善我们的当前规范，一切方法以更能接近结构实际受力为宗旨，那么设计成果定能接近我们的预期目标.

3 结论与建议

我国规范采用的“柱端弯矩增大系数”的思想是以参考国外规范取值为主，结合自己的工程经验确定的，对其控制“强柱弱梁”的效果缺少系统分析验证，具有一定的局限性；现行2010版抗震规范，在2001版基础上对其柱端弯矩增大系数ηc进行了不同程度的提高，但我们说两版规范的实质是相同的，可以肯定的是下一次地震来临时，框架结构实现“强柱弱梁”整体屈服状况的比例会较汶川地震中提高，但是否能保证按照现行规范设计的框架结构一定能在地震中出现“强柱弱梁”的预期目标，这一点不敢妄言.就如以上分析，我认为当前保证框架结构出现“强柱弱梁”屈服机制的研究方向应该从结构的实际受力入手，在计算手段许可的条件下，尽量的使规范中的相关条款规定接近实际受力，而不是一味的从方便设计、简化设计的角度出发，使我们的设计成果与预期目标接近.当前情况下考虑楼板对框架结构实现“强柱弱梁”屈服机制的影响，建议可以采取下面几点措施：

（1）将我国规范中的相关条款向国际上抗震发展水平较前的国家，如新西兰、加拿大、欧共体等靠近，考虑楼板有效翼缘的作用，并将设计出的梁端纵向受力钢筋较合理的分配在矩形梁肋和一定范围的板宽中，防止再出现我国当前设计与施工不一致的做法，同时可以减缓梁端板宽中钢筋超强问题的出现.

（2）为确保框架结构实现“强柱弱梁”的目标，如果我国继续沿用当前的研究思路，利用柱端弯矩增大系数ηc与梁端设计弯矩乘积来确定柱端弯矩，那么增加对二、三、四级框架结构进行“强柱弱梁”条件ΣM cub＞ΣMbua的验算.这样做虽增加了设计工作量，但在当前电算化程度较高的条件下，实现起来并不困难，而且对保证框架结构整体屈服机制的实现有重要意义.

[1]肖从真.汉川地震震害调查与思考[J].建筑结构，2008，38（7）：21－24.

[2]宫 钢，史淑琴，苗佳芹.提高底部框架——抗震墙结构综合抗震能力的措施[J].长春工程学院学报（自然科学版），2001，2（4）：55－57.

[3]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范（GB50011－2001）[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[4]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范（GB50011－2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5]马千里，叶列平，陆新征，马玉虎.现浇楼板对框架结构柱梁强度比的影响研究[C].汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告论文集，北京：中国建筑工业出版社，2008，263－271.

[6]叶列平，曲哲，马千里，林旭川，陆新征，潘 鹏.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.

[7]孙 扬.楼板对RC框架结构强柱弱梁屈服机制的影响[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士论文，2010：2－15.