现浇楼板对框架结构抗震性能的影响分析

李 睿 郭靳时

(吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118)

0 引言

2008年的汶川地震其震后破坏为我国工程设计研究人员提供了很多可反思的问题.根据规范设计的强柱弱梁破坏体系并没有如愿出现在震后房屋上,更多的是发生了“强梁弱柱”破坏,这样就导致了在破坏时柱先于梁屈服,从而造成严重的人员伤亡和财产损失.我国抗震规范提出了“三水准”的设防要求,即“小震不坏,中震可修,大震不倒”[1],同时,抗震设计规范对建筑结构还提出了“强柱弱梁,强剪弱弯,强节点弱构件”的要求[1].所谓强柱弱梁,就是控制在框架结构发生破坏时塑性铰出现在梁端,在设计上给柱端乘以弯矩增大系数,保证在框架节点处柱端的承载力大于两侧梁端的承载力之和,发生屈服时,可以使梁先于柱屈服,结构整体不倒塌.

框架结构中的现浇楼板结构的整体性与刚度较好,能够有效地保证结构整体的抗震性能,现浇楼板是众多影响框架结构是否能达到强柱弱梁破坏机制的因素之一[2],是因为现浇楼板对与其一起整浇的框架梁有不可忽视的增强作用,是框架梁产生“超强”的主要原因[7].由于现浇楼板中钢筋是要伸入梁柱节点的,所以现浇楼板的钢筋配置还会对梁柱有影响,楼板在平面内作为梁的翼缘,提升梁的刚度,在一定范围内提高了梁的抗弯承载力,会影响梁端塑性铰的如期出现.本文主要针对现浇楼板的板厚、节点类型、楼板有效翼缘宽度等因素，对框架结构能否满足“强柱弱梁”屈服机制的影响程度进行分析.

1 模型建立

1.1 PKPM模型建立

使用PKPM软件建立模型,计算实配钢筋,考虑模型的普遍代表性,建立一个三层的框架,层高3 600mm,纵向3跨,跨度7 200mm,横向2跨,跨度6 000mm,横向布置次梁.

首先建立一个标准模型,然后改变板厚,建立对比模型①,各模型构件尺寸见表1.

表1 各构件尺寸Table 1 The size of components

1.2 ABAQUS模型建立

随着时代的进步,科学技术的发展,有限元模拟技术受到越来越多的重视,在诸多有限元软件中,例如ABAQUS,ANSYS,NASTRAN,ADINA,MARC,MAGSOFT等,其中ABAQUS是一款大型的高端CAE软件,在非线性有限元分析方面处理的非常优秀,可以计算分析复杂的结构力学体系,ABAQUS不但可以分析某一独立构件的力学变形,同时还可以做系统级的分析研究计算,其独特的系统分析使其在众多有限元分析软件中被首选.

应用ABAQUS中的Part(部件)模块建立各构件,Property(特性)模块赋予各构件材料属性、本构关系,Assembly(装配)模块将各个构件组装到一起,然后通过Step(分析步)模块、Interaction(相互作用)模块、Load(载荷)模块、Mesh(网格)模块赋予各构件间的关系连接约束作用、施加荷载、布置种子、划分网格,最后通过Job(分析作业)模块进行作业提交,然后系统会自动进入Visualization(可视化)模块进行后处理,得到变形图、应力云图等结果.

1.3 材料参数

图1 双折线模型Fig.1 Double fold line model

整个结构采用C30混凝土,框架梁柱受力钢筋采用HRB400级钢筋,箍筋采用HPB300级钢筋,现浇楼板采用HPB300级钢筋.在ABAQUS软件模拟中,混凝土的本构关系模型采取混凝土损伤塑性模型,相比其它的混凝土模型,损伤塑性模型可以更好地描述混凝土的非弹性行为[5],钢筋选用热轧钢筋,所以钢筋的应力-应变模型采用完全弹塑性的双折线模型进行描述[6],双折线模型见图1.

2 现浇楼板板厚

在设计时,单向板的板厚不小于1/30L(L为跨度),双向板的板厚不小于1/35L(L为跨度),且楼面板最小厚度不小于90mm,屋面板的最小厚度不小于100mm,相邻现浇板的板厚不应相差30mm以上,所以在标准模型中板厚取值100mm，满足规范设计要求.

将模型①的有限元模拟结果与标准模型的有限元模拟结果进行对比,然后对比两个模型的荷载-应变曲线[3](见图2).

(a)Standard Model (b)Model①图2 荷载-应变曲线Fig.2 Load-strain curve

由图2可以得出，荷载值和钢筋的屈服应变值会随着板厚的增大而随之相应地增大和减小,从而进一步说明了楼板厚度的增加可适当提高梁端承载力,同时还有效地遏制了构件的变形.

3 节点类型

在框架结构中将节点分为框架边节点和框架中节点,框架边节点处的横向框架梁由于只有一侧接触楼板,产生作用的楼板钢筋对横向框架梁产生的拉力只能靠横向框架梁承担,因而边节点处横向梁的弯矩、扭矩比中节点处横向梁的弯矩扭矩要更大,所以框架边节点处的横向框架梁更容易产生弯曲扭转变形,现浇楼板对横向框架梁的影响要比在框架中节点处的影响小很多.

框架中节点处的框架梁在两个方向上都有楼板,楼板钢筋对框架梁内钢筋产生不容忽视的影响,在框架梁两侧的楼板产生的拉力可以得到部分的抵消,剩余的部分才由框架梁承受,故横向框架梁上产生的扭矩和弯矩都较小,现浇楼板参与作用的影响较大.

在标准模型中分两种节点类型分别模拟,有效翼缘宽度相同时,边节点和中节点的应力云图[3]见图3所示,荷载-应变曲线[3]见图4所示.

(a)Exterior joint (b)Interior joint图3 等效应力云图Fig.3 Von Mises stress

(a)Exterior joint (b)Interior joint图4 荷载-应力曲线Fig.4 Load-strain curve

在比较了两种类型框架节点下的荷载-应变曲线可以得知,在相同模型条件下,梁板柱边节点所对应的荷载-应变值比梁板柱中节点所对应的荷载-应变值的变化幅度大,从而进一步说明现浇楼板参与抗震的程度与框架节点类型息息相关.

4 楼板有效翼缘宽度

我国现行规范对有效翼缘如何取值没有明确规定,说明我国规范中不考虑楼板钢筋对梁端截面抗负弯矩的影响[4].为了更好地对比有效翼缘宽度的取值对框架结构抗震效果的影响,取6种有效翼缘宽度进行对比分析,分别为2h,3h,4h,5h,6h,7h(h为板厚),在有限元模拟结果中得到如图5所示的荷载-应变曲线[3].

(a)Exterior joint (b)Interior joint图5 荷载-应变曲线Fig.5 Load-strain curve

从图5可以看出,随着楼板有效翼缘宽度的增加,荷载-应变曲线也在趋于重合,每次改变不明显,表明当楼板翼缘有效宽度增大到一定程度的时候,再提高楼板有效翼缘宽度几乎对抗震性能没有影响.经过多种模型的建立对比,逐渐发现了当楼板有效翼缘宽度取值在6h以上时,楼板几乎不参与工作了,也就是说在楼板的有效翼缘宽度取在6h以上时楼板就退出抗震工作了,不参与结构的抗震.

5 结论

近十年,地震等自然灾害让人们发现设计人员按照规范设计的预期目标并没有实现,之前只是想当然的认为达到了设计目标,经过汶川地震的检验才发现按照“强柱弱梁”标准设计的房屋在地震作用下并没有真

的实现“强柱弱梁”的破坏标准,在框架结构中,现浇楼板是影响整个结构是否能达到“强柱弱梁”破坏标准的主要因素,增大现浇楼板的板厚可以提高整体框架的抗震性能.同时,现浇楼板的有效翼缘宽度也是影响框架结构抗震性能的因素之一,在楼板有效翼缘宽度取6倍的板厚时,对整体框架的抗震性能影响最好,在不同的框架节点中,楼板参与抗震的程度以及对整体框架结构的影响程度也不同,所以在设计框架边节点和框架中节点时应分开考虑.

参 考 文 献

[1] 建筑抗震设计规范(GB50011-2010)[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 王素裹,韩小雷,季静,王传峰.现浇楼板对框架梁受理影响的研究[J].华南地震,2009,29(2)：35-41.

[3] 陈辰.现浇楼板对钢筋混凝土框架结构抗震性能影响的研究[D].长春：吉林建筑大学,2015.

[4] 王素裹,祁皑,范冰辉.考虑现浇楼板影响的有效翼缘宽度取值探讨[J].福州大学学报(自然科学版),2012,40(2)：226-231.

[5] 单慧敏,戴君武,王艳茹.现浇楼板对钢筋混凝土框架结构破坏模式影响浅析[J].土木工程学报,2010,43(增刊):169-172.

[6] 王素裹.强震作用下现浇RC楼板对框架结构破坏形态影响的研究[D].广州：华南理工大学,2009.

[7] 吴勇,雷汲川,杨红,白绍良.板筋参与梁端负弯矩承载力问题的探讨[J].重庆大学学报,2002,24(3)：33-37.