现浇钢筋混凝土楼盖设计的若干改进探析

孟磊，刘毛方 （安徽省金田建筑设计咨询有限责任公司，安徽 合肥 230051）

1 现在概述

现浇钢筋混凝土楼盖在结构体系中有承受重力荷载、协调传递水平荷载、保持结构整体性的重要作用。由于现浇钢筋混凝土楼盖整体性好，对各种建筑平面都有较强的适应性，楼盖开洞灵活，在地震区和使用不受限制且具有较好的经济指标，是目前工业与民用建筑中适用范围最广，应用最多的楼盖形式。目前通行的结构设计中普遍采用刚性楼板假定+梁刚度放大系数做法，这种做法严重偏离了现浇楼板和框架梁的实际受力状态，所造成的结果是框架梁截面和配筋被明显放大，实际震害基本都是强梁弱柱，而非设计期望的强柱弱梁，也是对现浇楼板的粗糙模拟主要造成的。但我们都知道折减是静态，实际震害是动态。按照目前设计方法得到的建筑结构多为“肥梁胖柱”，另外规范对低烈度区柱轴压比控制较为宽松，多层建筑在强震下的安全性很是存疑，同时框架梁又存在着较大的浪费。作者在工地验收经常发现，现在设计的梁钢筋越来越多，而随着《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB50068-2018）荷载分项系数1.3和1.5及即将实施的《工程结构通用规范》荷载取值的调整，梁的配筋率又会相应增大，但总体柱和剪力墙配筋变化较小，更加会引起强梁弱柱的破坏模式。另一个因素是业主和建筑师总是要求柱子截面越小越好，并且钢筋还不能多加，尺寸也没有商量余地，从历次震害调研结果看，倒塌框架的废墟中可以发现细细的柱子，框架柱截面太小，直接的结果是柱头压碎和底层柱压塌。

华南理工大学韩小雷教授团队近年的足尺结构试验发现：①现浇楼盖梁支座正截面承载力试验值是规范计算值（用材料强度平均值算）的3～5倍。②框架梁纵筋配筋率大于0.9%就发生界限破坏，即钢筋未屈服，混凝土压碎。说明现在的大多数楼盖梁端都将脆性破坏，没有延性可言。从结构的角度看，在楼盖脆性破坏之前，大轴压比柱很可能已发生小偏压脆性破坏。因此现浇楼盖梁承载力问题亟待解决，本文抛砖引玉，希望学界及工程界提出更符合实际的计算理论和方法，保障人民生命财产安全。

图1 典型震害及实景照片

2 问题探讨

历次震害调查发现，现浇钢筋混凝土多高层建筑结构在大震作用下的破坏受损甚至倒塌主要表现在柱、墙脆性剪切破坏或压曲破坏，但此时的现浇楼盖框架梁正截面裂缝钢筋未见屈服，未形成塑性铰，这也与实验室结果相近。现浇钢筋混凝土楼盖巨大的卸荷及增强效应，使按杆系模型设计的框架梁支座受弯，承载力有较大安全储备。当大震发生时，框架梁连同现浇楼板面内外承载力的客观存在，使得梁塑性铰很难出现，实际形成“强楼盖弱墙柱”结构，而抗震设计的基本理念之一是“强柱弱梁”。强柱弱梁普遍未能实现主要有以下原因。

①结构设计时，在进行建筑结构整体分析时，典型的假定荷载传递路径：板→梁→墙柱。而实际上，现浇混凝土梁板结构有一部分荷载通过板直接传给了墙柱。这样根据假定算出来的框架梁弯矩是个“假弯矩”，与实际情况有差别。由于楼板的作用，对于框架梁来说，其截面形式为T形梁，而非矩形梁，T形梁翼板内的板筋对框架梁抗弯承载力提高起到很大作用。以上两方面的作用，框架梁的钢筋按目前计算结果的抗弯承载能力大大超过其实际承担的设计弯矩。

②设计人员超配梁钢筋又起到推高作用：结构设计人员实配钢筋比计算结果有所放大。作者在校审图纸时经常看到有的支座配筋是计算值的1.5～2倍，另外梁为了通过裂缝宽度验算，又大大加大梁的配筋。作者认为可按《全国民用建筑工程设计技术措施结构》(混凝土结构)2009第2.6.5条执行裂缝宽度验算，因为按裂缝宽度计算增加梁配筋，对整个结构的安全度没有好处，如确需要加大梁配筋，相应的柱截面和配筋也需加大。

③现有钢筋混凝土构件极限承载力设计方法的问题：三个前提基本假定，平截面假定、不考虑混凝土的抗拉强度假定和混凝土受压理想弹塑性的假定。平截面假定和混凝土不受拉假定基本能满足工程需要，但混凝土受压理想弹塑性（以得到受压区高度内应力矩形分布）；根据线弹性内力和上述理想化承载力得到构件配筋，在小震、中震、大震下是否达到承载力、延性、耗能性能目标（或不过于浪费）存疑。

④当前的软件对刚度放大的计算默认梁板是中对中的模型，梁采用杆单元模拟，实际计算模型梁板关系如图2所示，梁板中性轴同一位置，仍然无法考虑板作为梁翼缘的影响结构设计中，刚度系数不仅仅是反映有效翼缘，而且反映由于计算模型和实际工程模型引起的刚度计算的偏差，并且这个偏差占了绝大部分。

图2 计算模型

图3 实际模型

3 改进方案

目前作者所遇到梁的设计出图项目均采用图4的配筋模式：负筋均在梁宽范围内布置，如一排不能布置就二排，更有甚者三排、四排也时有出现，规范和国标图集16G101-1就是如此规定。但“向来如此，便对吗”？——鲁迅。为此孙芳垂在《建筑结构设计优化案例分析》一书中就提出了图5的配筋模式，而现行行业标准《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149-2017）第5.1.8条明文规定梁纵筋不宜全部布在梁肋内，同时此筋可作为楼板抗弯钢筋使用：对于楼板与梁整体浇筑的异形柱框架，通过增大框架梁的弯曲刚度来考虑楼板作用，在进行梁的内力分析和配筋时，不宜将梁端截面上部纵筋全部配置在梁(肋)矩形截面内，而应将其部分纵筋配置在梁侧有效翼缘宽度范围的楼板内。条文说明给出了具体实施方法：抗震分析和模拟计算表明，目前的工程做法将梁端截面上部纵筋全部配置在梁肋内，梁侧楼板再另行配筋，实际上增大了梁的受弯承载力，是造成地震时柱先于梁破坏的主要原因之一。因此，要求对于楼板与梁整体浇筑的结构，通过增大梁弯曲刚度考虑楼板作用，计算得到梁端上部纵筋不要全部配置在梁肋内，应将部分梁端上部纵筋配置在梁侧有效翼缘范围的楼板内，该部分钢筋也做为楼板抗弯钢筋使用。一般情况，梁的有效翼缘宽度可取梁两侧各6倍板厚的范围。抗震设计时，对于二级抗震等级框架结构，该部分纵筋占梁端截面上部纵筋总量的比例宜取为30%(边梁15%)、对三、四级抗震等级宜取为40%(边梁20%)；对于框架—剪力墙结构的框架该比例可适当减小。关于异形柱框架梁配筋的要求，作者比较认同在所有现浇混凝土楼盖中采用，目前框架梁加固设计的方法也是按此思路进行。

图4 配筋模式1

图5 配筋模式2

为了保证强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件的抗震设计概念要求，设计中在采取上述方式时，建议同时提出以下改进方案：

①实配柱纵筋和箍筋时，需考虑梁翼缘板的作用和梁裂缝宽度验算或人为超配而增加梁纵筋的影响。柱增加的单向纵筋和箍筋可按以下简化计算确定。

柱增加的单边纵筋：

柱增加的箍筋：

然而当三电平逆变器出现复杂故障时,如出现Sa2、Sc3故障或Sa3、Sc2等故障时,相电压输出波形就比较复杂,不仅造成故障相的输出相电压波形产生畸变,而且非故障相的输出相电压波形也随之发生畸变,在这种情况下就不能仅仅依靠观察输出波形来确定故障具体结果。

其中：

Agc——验算裂缝宽度或考虑梁翼缘板增加的钢筋；

fby——梁纵向钢筋的强度设计值；

fcy——柱纵向钢筋的强度设计值；

fyv——柱箍筋的强度设计值；

h0b——梁截面有效高度；

h0c——柱截面有效高度；

H——柱的净高。

②对于大跨度的框架结构，宜适当加大框架柱截面，框架柱的线刚度建议不宜小于框架梁的线刚度的1.1倍。

③加大框架柱的最小截面，且须满足梁钢筋的水平锚固的要求。我国规范规定的高跨比下限1／18，国外此规范要严，可参照《高层建筑混凝土结构技术规程》6.3.1条文说明中，国外规范规定的框架梁高跨比适当放宽框架梁截面高跨比。

④框架柱纵向钢筋的最小配筋率，应比《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定的最小配筋率有所提高，框架柱纵向钢筋直径宜≥16mm。

4 结语

为了保证强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件的抗震设计概念要求，针对现浇混凝土楼盖体系的理论研究和设计方法需加以完善。

①现浇钢筋混凝土楼盖翼缘对梁刚度和承载力影响很大，现有的设计情况很难满足强柱弱梁的抗震概念设计要求。

②《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149-2017）对梁钢筋布置提出了更合理的要求，可惜实际设计和施工中没有人这样做，多次震害已经表明，梁配筋富裕量偏大；如果把部分纵筋布置在梁肋外同时替代楼板钢筋，可减少钢筋过密，提高混凝土浇筑质量，还可以节省材料，起到强柱弱梁有力作用。

③对现浇钢筋混凝土楼盖体系框架柱配筋、截面及刚度均需相应提高，框架梁截面可相应减少。

④解决现浇混凝土楼盖梁承载力、滞回特性和裂缝计算等混凝土基本理论的基础性研究。