框架结构计算嵌固端位置的确定方法

2019-02-18李慧林

中小企业管理与科技 2019年2期

李慧林

（北京中元工程设计顾问有限公司，北京 100000）

1 问题提出

多层钢筋混凝土框架结构是最普遍采用的一种结构形式。框架结构一般体型比较规则，在没有引入计算机辅助分析之前，通常会将其平面外的刚度忽略。平面框架中，如果它只在自身平面内有抗侧刚度，只能承受自身平面的荷载，在进行相应的计算时，应将空间框架结构进行分解，分解成不同方向的平面框架。在计算的过程中，平面框架的不同位置取值不同，具体来说，一般梁柱是以截面几何中心的连线为轴线；框架梁是以两端相连柱轴线间的距离为计算跨度；一般框架柱的计算高层取各层层高，但底层柱较为特殊，一般假设柱底端是嵌固的，取值是从底层柱的下端点取至基础顶面。当框架结构没有地下室且采用独立基础时，基础有一定的埋置深度，特别当地基承载力有限或选择的持力层较深时，北方有防冻要求地区必须考虑地基土的冻胀影响，基础有最小埋置深度要求。在框架柱基础之间一般设置基础拉梁，不仅增加基础的整体性，同时，基础梁还作为外围护墙与内分割墙的基础，承担其重量并通过框架柱传递到地基。因计算机分析手段的不断普及与提升，被应用于各行各业当中，包括对结构受力的分析。随着对结构抗震性能要求的不断提高，需要更加精细的结构受力分析，因此，如何选取适宜的框架结构的计算模型就十分重要，其关系到分析结果的准确性。针对上述问题，工程设计人员需要仔细考虑，事实上这中间还需要考虑很多问题,例如，梁柱单元节点区在分析模型中如何模拟、构件间连接刚度的模拟等等，本文主要讨论框架结构整体计算时嵌固端的取法。

2 国家建筑标准图集的建议

对于多层现浇钢筋混凝土框架，关于其抗震计算分析时嵌固端的取法，存在不同的取法：一种为嵌固端取在刚性独立基础上表面，结构分析计算模型中首层框架梁的层高取基础上表面到首层楼板，根据具体情况考虑回填土的侧限作用；另一种是从基础拉梁上表面算起到首层楼板，由于地基承载力不同，而且北方冬天需要考虑防冻，基础埋置深度差异较大，使得结构的计算模型也存在较大的差异，给结构计算周期及首层层间位移角的结果造成了一定的影响。关于上述情况，国家建筑标准设计相关图集将其作为一个常见问题提出来了，即在多层框架结构中为了达到抗震设计要求常常采用独立基础，在室外地面以下靠近地面处设置拉梁层时，结构整体体积模型选取的不是很恰当。同时《图集》中也对其原因进行了相应分析，即当多层框架结构为室外地面以下靠近地面处设置拉梁时，在计算整体抗震时只假定上部结构嵌固在梁顶面处，仅进行一次性整体计算是不太合理的，这种方法对底层柱在拉梁顶面以上的配筋来说比较合理，但对其他的配筋可能存在不合理，如底层顶板框架梁的配筋、底层拉梁的配筋以及拉梁层以下基础顶面以上框架柱的配筋等。因此，要多方面考虑，因为柱的真正嵌固是在基础顶面。针对上述问题，具有建议性的改进措施是：在一次性整体计算的基础上，再补充一次结构整体计算。具体方法为：假定上部结构嵌固于基础顶面，将拉梁层设置为一层进行相应的计算。多层框架结构设置室外地面附近的拉梁后，其中的回填土会对其起到约束的作用。回填土的相对刚度应取多少，很难定量，如果相对刚度比值取小了，会使框架柱配筋偏少；如果取大了，会使拉梁及底层顶板框架梁的配筋偏少。因此，比较上述两次计算的结果，框架柱和梁的最终配筋应选择其中较大值比较适宜。多层框架结构设置拉梁在基础顶面以上时，应采用弹性楼板总刚分析，需要对拉梁层楼板全房间开洞进行定义。同时,拉梁的抗震构造措施要符合框架梁的要求，避免不正确的做法出现，如不设箍筋加密区或者不符合箍筋直径等。另外，需要注意的是，在整体计算时，要将拉梁上可能存在的填充墙等荷载考虑进去。推荐的方法存在一定的合理性，但是，带来的结果是计算量的增加以及首层框架梁配筋增加，汶川地震发生后，大量框架结构的震害证明框架结构没有完全实现“强柱弱梁”的预期目标，部分框架发生了框架柱的严重损坏甚至整体倒塌。有刚性地面时，框架柱脚塑性铰的发生位置在刚性地面以上而不在基础顶面。可见，如何合理选取框架结构的计算模型，合理配置构件配筋，真正实现“强柱弱梁”、“大震不倒”的目标是设计与研究人员亟待解决的问题。

3 计算模型及参数

现以某市一座5层钢筋混凝土框架建筑为例，对上述问题进行进一步的定量探讨和分析，主要讨论选取不同计算模型后计算结果的变化。为了使计算模型更具有代表性，需要对其进行以下简化处理：一是结合工程的实际情况，选择适宜尺寸的柱和主梁并进行布置；二是可以忽略局部次梁的布置情况。其中，图1是模型的平面布置及构件基本截面尺寸的示意图。地面以上的主体结构为5层，各层层高为3m，屋面板与楼板的厚度均为120mm。另外，采用C30等级的混凝土作为主要的混凝土；框架梁主筋、箍筋、楼板配筋分别采用的钢筋级别为HPB400级、HRB335级、HRB335级。该建筑的框架柱采用的是独立基础形式，设置拉梁于地面附近，基础顶面距离前层建筑地面为l.5m。另外，该建筑为7度的抗震设防裂度，三类的场地类别。所涉及的荷载有各层楼面的恒荷载和活荷载、屋面荷载和活荷载、各层主梁上的线荷载，相对应的取值分别为各层楼面的4.5kN/m2和2.0kN/m2、屋面的6.5kN/m2和0.5kN/m2、线荷载布设为8.0kN/m，通过上述数据来模拟内隔墙或外墙的自重。出于填充墙对框架抗侧刚度的贡献考虑，在进行地震作用计算时，应选取适当的结构计算周期折减系数，在此取值为0.7。为了进行底层柱嵌固位置的变化以及回填土对地下室的约束作用的探讨，可以选取以下几个计算模型来进行分析：模型1（结构为5层），其是将框架的嵌固端选在地面标高位置，在计算时不考虑基础拉梁及拉梁以下框架柱的影响；模型2到模型5（结构均为6层），是将框架的嵌固端选择在基础顶面，其中模型2有拉梁，但不考虑对拉梁层刚性地面的影响以及回填土对地下室的约束作用，模型3有拉梁且需要考虑刚性地面的影响，不考虑回填土对地下室的约束作用，此处的刚性地面厚度取100mm。需要注意的是，刚性地面是在回填土基础上，因此进行相应分析时，不需要将地面活荷载考虑在内，只需考虑刚性地面质量的三分之一参与动力。另外，为了比较回填土对地下室不同程度的侧向约束作用的影响，以模型2(侧刚比为零，没有考虑约束作用)的基础上，进行了更深层的分析计算，即约束刚度比为1（模型4）与3（模型5）的两种计算。图2为模型立面图，表1列示了各模型的区别。

表1 各模型建模参数表

4 模型分析结果

采用中国建筑科学研究院开发的通用结构软件SATWE计算。各模型主要计算结果汇总如表2～表4所示。

图1

图2

根据表2的信息分析得出，在5个计算模型信息中模型1的结构总计算基底剪力最大，因为其嵌固位置在地面位置。对比模型2与模型3，除了模型3考虑了刚性地面的影响外，其他条件相同，在此情况下的计算结果为模型3的总质量略有所增加。比较模拟2、模拟4、模拟5，三者的唯一差别是地下室回填土与结构侧向刚度不一样，分别为0、1、3，分析三个模型的信息可以发现，随着侧向刚度比的增加，对应平动与扭转的一阶周期呈现逐渐缩短的趋势。在侧向刚度比取1和取0的计算结果进行比较中发现，相应的基底剪力和周期都有所增加，增加的幅度大概为2%及7%左右。

在表3中列出了五个模型的Y方向计算层间位移角变化情况，此处的Y方向（横向）是指结构地震作用控制的方向。其中，最大层间位移角均小于1/550的限值，但受到嵌固端的影响，各模型的计算最大层间位移角均发生在嵌固层以上的第一相邻层，模型2～模型5的最大计算层间位移角发生在建筑首层，二层及以上各层的层间位移角接近。模型1建筑首层的计算层间位移角反而大于二层的计算结果，明显低估了首层的层间位移，设计时需要注意。考虑地下室回填土的侧限作用后，计算层间位移底层减小，顶部增加，结构的抗侧刚度增加。

在表4中，对五种计算模型中拉梁层梁柱构件与首层梁柱构件配筋梁的变化情况进行了对比。就拉梁层而言，其受地震作用的影响较小，该配筋梁满足梁上竖向荷载作用下的承载力要求即可。就首层柱的配筋而言，模型l的计算配筋量最大，模型4(考虑回填土的侧限影响但刚度比取l)的计算配筋量最小,而拉梁层框架柱的配筋与模型1中首层对应柱的配筋一致，即按照模型1首层柱的计算配筋配置拉梁层对应柱的配筋，可以保证拉梁层框架柱的配筋要求，其计算结果也比较合理。而首层框架梁的梁端配筋，模型2的框架梁计算配筋量最大，模型1的计算配筋梁最小，并且其随着地下室回填土刚度比的增大逐渐减小。如果钢筋混凝土的屋盖与楼盖是现浇的，需要采用一定的方法来分析钢筋混凝土结构，比如提高框架梁来计算抗弯刚度，其在考虑楼板空间作用时没有全面考虑对框架梁抗弯刚度的影响。但用该方法进行内力分析时，其是将框架梁配筋全部配置在梁宽度范围内，没有将梁计算配筋按照比例将部分抗弯钢筋分配到梁侧面楼板。而现浇混凝土楼板是根据板的受力情况进行独立配筋的，使得框架梁的实际抗弯承载力至少提高了20%，甚至可以提高到90%，进而导致框架粱柱的实际抗弯承载力没有满足我国抗震设计规范要求。就汶川地震而言，地震灾区范围内大量的钢筋混凝土框架发生了“强梁弱柱”的破坏模式，其主要是在柱与刚性地面交界面处或基础拉梁上发生了柱脚塑性铰，这些情况都说明了现行钢筋混凝土框架结构设计方法中存在一定问题。为了减少地震带来的伤害，在实际工程设计中应考虑以下几方面：一是楼板配筋对梁抗弯承载力的影响；二是适当地将框架梁的计算配筋降低或将梁的部分计算配筋；三是根据框架梁实际抗弯承载力，提高框架柱的设计弯矩，从而提高框架柱的承载力。结合地震灾害现象与计算分析结果，可以选择以下建议，即在计算现浇钢筋混凝土框架时应将嵌固端取在拉梁上表面，这样模型计算的结构不仅符合安全性要求，又能将强柱弱梁的抗震设计理念体现出来。