考虑现浇混凝土板配筋影响框架梁柱中节点分析

张志新，徐建新，丁 峰，孙大行

(1.河北联合大学河北省地震工程研究中心，河北唐山063009;2.河北联合大学校园规划建设处，河北唐山063009)

钢筋混凝土框架结构相对于剪力墙结构来说，其自身的侧向刚度比较小，因此由于地震作用所引起的侧向位移较大，所以采取合理的抗震措施，并严格遵循结构设计规范所规定的“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”成为实现框架结构良好抗震性能的有力保证。汶川地震的经验表明:“强柱弱梁”是框架结构抗震设计中不可忽视的重要内容，也是实现梁铰机制的重要结构措施，框架结构要达到这种良好的梁铰机制，现浇楼板配筋的影响最为重要，不仅增大了框两种不同机制对比

为了研究现浇楼板对“强柱弱梁”的影响，本文取如图1所示质量、刚度分布皆均匀、规则的3跨×2跨6层，首层层高4.5m，其余各层3.6m，三维框架分析模型。该框架设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.2 g，抗震等级为二级，Ⅱ类场地。梁柱板混凝土强度等级为C30，纵筋为HRB335，板厚100 mm。楼面恒载、活载标准值分别为4.0 kN/m2、2.0 kN/m2;屋面恒载、活载标准值分别为4.5 kN/m2、2.0 kN/m2;楼面框架梁上施加9 kN/m的均布荷载，屋面层外围框架梁上施加3 kN/m的均布荷载。框架分析及配筋计算采用PKPM系列SATWE软件(2008年版)，计算时将框架梁抗弯刚度乘2.0的放大系数［1］

图1 6层框架结构平面图

1 典型震害情况及分析

1.1 两种不同机制对比

框架结构大多数应用于多层建筑中，其相对于剪力墙结构来说柔性比较大，整体结构刚度比较小、冗余度低，这种结构特性抵抗强震和抗倒塌能力相对比较弱，在强震中易倒塌，容易出现结构薄弱部位，尤其出现强梁弱柱的屈服机制，造成较大的经济损失，对破坏严重的结构修复困难，同时修复费用较高［2］。

如图2所示:其特点为柱端出现塑性铰，整个框架结构形成几何可变体系，从而导致结构形成极其不稳定的侧移机构。柱端出现塑性铰导致其抗剪能力瞬间减小，框架柱发生剪切破坏，同时整个结构的刚度减小，失去承受水平承载力的构件，使结构在完全倒塌前没有明显的征兆，造成重大的经济损失。这种在水平地震作用下发生脆性破坏的结构是设计中应该禁止使用的一种屈服侧移机构［3］

如图3所示:其特点为框架结构梁端出现塑性铰，在水平地震作用下能够保证框架柱上下连续，继续承担水平荷载作用，并能够保证框架结构的水平侧移刚度，其框架结构形成的是具有足够延性的侧移机构，在完全破坏之前具有明显的征兆，此结构发生的是延性破坏，能保证大量人员疏散的时间，进一步减小经济损失和人员伤亡。这种强柱弱梁的屈服侧移机构是我国结构设计规范明确规定的一种良好的抗震设计措施［4］。

图2 强梁弱柱

图3 强柱弱梁

2 框架节点模型的建立

节点只是框架结构中的一个部位，框架结构在地震作用下的工作状况跟节点有密切的关系，节点性能对框架结构的内力分布和受力分析有重要的影响。在水平荷载作用下确定梁柱构件的长度，首先要确定框架结构中梁和柱子的反弯点，根据《钢筋混凝土结构教程》和唐九如的《钢筋混凝土框架节点抗震》［5］

图4 节点边界条件1

混凝土应力-应变关系曲线采用德国Rusch［6］建议的模型，

节点模型

图5 中节点模型

3 中节点现浇楼板有效翼缘宽度的确定

根据中节点模型的分析计算，相对于无楼板的梁柱节点来说，现浇楼板对梁的抗弯承载力起到很大的作用，与Y向梁平行的板的纵筋应力的大小随着远离框架梁的范围增大而不断减小，当纵筋受到负弯矩作用，其楼板处于受拉区的情况下，对纵向梁起贡献作用的主要为板内与之平行的钢筋，因此，可采用楼板有效翼缘宽度来考虑楼板对纵向梁抗弯承载力的贡献作用。但是，此有效翼缘宽度只是对实际参与纵向梁抗弯作用的楼板钢筋提供的抗弯能力的一种折算和简化，假定在有效翼缘宽度范围内的板配筋全部参与纵向梁的抗弯能力，应变在该有效翼缘宽度范围内均匀分布。根据ADINA后处理提取的数据及曲线可知，中节点在柱顶施加0.05 m的位移情况下，在位移运行至0.040 m时，该节点已经破坏，有楼板的梁柱节点，柱子的钢筋比梁的钢筋提前4 s进入屈服阶段，进而形成“强梁弱柱”的破坏机制。

图6 钢筋应力-板宽曲线

如上图7(a)、(b)所示，通过ADINA软件模拟节点分析，取靠近节点位置的板上钢筋的数据，并分析板顶和板底钢筋随着板宽的应力变化，可知，板上钢筋随着板宽的增加应力不断减小，当板宽增加至800 mm时，板底与板底钢筋的应力值已经小于50 MPa，应力已经很小，当板宽大于1000 mm时，板顶钢筋基本不参与作用。所以，在软件误差的允许范围内，采用ADINA软件分析的后处理结果可以预测，中节点处框架梁每侧大约8倍板厚可视为现浇楼板配筋参与作用的有效翼缘宽度。其次，板底钢筋和板顶钢筋都会随着施加位移的增加而应力不断增大，因此在水平地震力作用于整个框架结构时，这种侧移量往往是很大的，随着侧移量的不断增加，板筋参与的作用和范围也不断增大，同时对框架梁的承载力有很大的贡献，有一种很大的“超强”作用，因此在现浇楼板配筋的影响下形成的是“强梁弱柱”的屈服机制。

4 中节点的框架梁配筋调整前后影响分析

根据中节点ADINA建模及后处理分析，由ADINA后处理中的钢筋的应力数据，可以绘出如下图52中节点无楼板情况下的梁柱应力-位移曲线。

图7 无楼板节点梁柱应力对比

为了研究现浇楼板对框架梁钢筋的贡献作用，下面得出图53有楼板情况下中节点的梁柱应力-位移曲线，6层框架结构板厚100 mm，板的配筋为Φ8@150，梁柱节点尺寸及配筋见节点详图，可以明显看出楼板对梁的抗弯承载力起到至关重要的作用。

图8 有楼板节点梁柱应力对比

在没有楼板的梁柱节点从图上9(a)、(b)可以看出来受压区和受拉区都是梁筋比柱筋先达到屈服，表现出来的是“强柱弱梁”，而在有楼板的梁柱节点应力图上可以发现不管是受拉区还是受压区都是柱筋比梁筋先达到屈服，表现出来的是“强梁弱柱”。

通过对框架节点的分析，并在理论计算与软件计算的误差范围以内可以得到现浇楼板配筋对影响形成“强柱弱梁”的机制起到关键性的作用。通过ADINA有限元软件进行分析可知，对比不同节点类型和不同的柱端弯矩增大系数，再考虑现浇楼板配筋有利作用的影响下，有必要增大柱端弯矩增大系数，使其节点能够形成强柱弱梁的延性屈服机制，对于中节点和，钢筋混凝土现浇楼板对框架梁的承载力和刚度起到很大的作用。

［1］ 苏幼坡，张玉敏，王绍杰，徐建新.从汶川地震看提高建筑结构抗倒塌能力的必要性和可行性［J］.土木工程学报.2009.

［2］ 吴应雄，黄英.汶川地震灾害引发建筑结构设计的思考［J］.福建建筑.2008(10):90-95.

［3］ 黄维，钱江，等.地震作用下框架结构“强梁弱柱”分析［J］.低温建筑技术.2010(2):72-74.

［4］ 唐九如.钢筋混凝土框架节点抗震［M］.南京:东南大学出版社，1989.

［5］ 岳戈，等.ADINA应用基础与实例详解［M］.北京:人民交通出版社，2008.7.

［6］ N.Yardimci，C.Yorgun，T.S.Arda.Tests on beam-column strong and weak axis connections［J］.Computers＆Structures，Volume 61，Issue 3，November 1996:93-399.