现浇板钢筋对混凝土框架结构抗震影响分析.pdf

第 3 6卷第 5 期 2 01 0年 1 0月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 5 5 现浇板钢筋对混凝土框架结构抗震影响分析 宋吉荣 ， 何世龙 ( 1 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ； 2 西南交通大学力学与工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要： 通过对汶川地震后的震害分析调查 发现， “ 强梁弱柱” 成为震区框架结构破坏的普遍现象， 说明采用现行 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑抗震设计规范 的相关规定， 实际上无法实现“ 强柱弱梁” 的要求。为解决这一问题， 分析了影响混凝土框架结构实 现“ 强柱弱梁” 因素， 特别从现浇楼板钢筋对实现“ 强柱弱梁” 的影响和现浇板对框架梁正截面承载力的影响进行了深入研究， 并在此基础上做了典型案例分析， 提出具体没计对策和建议： ( 1 ) 设计时有必要把6 ； 宽度的楼板配筋作为梁的配筋， 从而适 当减小粱的截面配筋； ( 2 ) 设计时不考虑楼板对梁刚度的加强作用计算梁的截面配筋， 考虑楼板对梁刚度的加强作用计算柱 的配筋。 关键词： 框架结构； 强柱弱梁； 现浇楼板钢筋 ； 设计对策 中图分类号 ： T U 3 7 5 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 5 5 0 3 Th e a s e i s m a t i c a n a l y s i s o n r e i n f o r c i ng s t e e l o f t he c a s t - i n p l a c e s l a b t o c o n c r e t e f r a m e s t r u c t ur e S ON G J i r o n g HE S h i l o n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 S c h ool o f Me c h a ni c s E n g i n e e ri n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： i t i s d i s c o v e r e d ， f r o m t h e a n a l y s i s o f t h e s e i s m i c d a ma g e a f t e r t h e W e n e h u a n e a r t h q u a k e ， t h e u n i v e r s a l d e s t r u c t i o n o f f r a me s t r u c t u r e i n s e i s mi c a r e a s wa s t h e“ s t r o n g b e a m an d w e a k c o l u mn ”mo d e 1 T h e r e f o r e t h e e x i s t i n g c o d e f o r a s e i s mma ti e d e s i g n o f b u i l d i n g s t r u c t u r e ( G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 )s t i l l d o n o t h a v e r e l e v a n t p r o v i s i o n t o r e a l i z e t h e s t r o n g c o l m n n w e ak b e a m p ri n c i p l e a t p r e s e n t I n o r d e r t o s o l v e t h i s p r o b l e m ， a n a l y s i s b a s e d o n t h e f a c t o r s ， wh i c h a ff e c t e d t h e a p p l i c a ti o n o f t h e s t r o n g c o l L ll n n we a k b e a m p r i n c i p l e o n r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me s t ruc t u r e s ， h a d b e e n d o n e F u r t h e r mo r e a d e e p s t u d y a i me d a t t h e p r o b l e ms c o n c e r n i n g t h e i mp a c t s o f the r e i n f o rci n g s t e e l o f t h e e a s t i n p l a c e s l a b o n t h e f u l f i l l o f t h e s t r o n g c o l u mn we ak b e am p ri n c i p l e a n d e ff e c t s o f t h e e a s t i n - p l a c e s l a b o n the n o rm al s e cti o n b e a r i ng c a pa c t i t y of c o n c r e t e f r a mb eam s g o t o n qu i c k l y De s i gn c o u n t e r me asu r e s a nd pr o po s e s h a d be e n p o i n t e d o ut a s f o llo ws： ( 1 )I t w a s n e c e s s a r y t o t a k e t h e r e i n f o r c e me n t o f t h e s l ab w h i c h W as 6 h f i n w i d t h as the r e i nfo rc e me n t o f t h e b e am s S O a s t o red u c e the r e i nfo r c i n g b a r s o f t h e beam s ； ( 2 )R e g a r d l e s s o f t h e s t r e n g t h e n i n g e ff e c t s t h e s l abs o n th e s t i ff n e s s o f t h e b e a ms w h e n c al c u l a t i n g t h e r e i nfo r c i n g b a rs o f t h e b e a ms ， a n d t a k e t h e s t r e n g t h e n i n g e ff e c t s i n t o a c c o u n t wh e n c a l c ula t i n g t h e r e i nfo r c i n g b a r s o f t h e c o l u mn s Ke y wo r ds： c o n c r e t e f r a me s t ru e t u r e； s t r o ng c o l Ll nl U we a k be a m ； r e i n f o r c i n g s t e e l o f t he e ast i n p l a c e s l a b； de s i g n c o un t e rm e asu r e 0 引 言 钢筋混凝土框架结构 ， 由于其 自：身侧 向刚度较 小， 地震作用引起 的侧 向位移较大 ， 合理的抗震措施 成为实现框架结构具有 良好抗震性能的有力 保证， 其 中“ 强柱弱粱” 就是框架结构抗震设计 中不 可忽 视的重要抗震措施之一。实际工程中， 影响强柱弱 梁的因素很多 ， 如何抓住主要矛盾， 在抗震设计 中真 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 3 1 6 作者简介 ： 宋吉荣( 1 9 6 1一) ， 男 ， 山东莱阳人 ， 博士 ， 教授 ， 研究 方 向 结构优化与项 目管理。 基金项 目： 西南交通大学校基金科技 发展基 金资助项 目( 2 0 0 8 A 0 4) Ema i l ： s o n g s w j t u e d u c r l 正实现“ 强柱弱梁” ， 已成为结构设计人员关心 的重 大问题。 1 规范规定 框架结构的“ 强柱弱梁 ” 破坏机制 ， 即梁 铰屈服 机制， 是抗震设计所期望 的框架失效机制。梁铰屈 服机制可使整个框架具有较大的内力重分布和能量 消耗能 力 ， 极 限 层 间 位 移 增 大， 抗 震 性 能较 好 。 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑抗震设计规范 规定 ， 对于考 虑地震作用组合的一 、 二 、 三级框架柱 ，除框架顶层 和柱轴压 比小于 o 1 5者及框支梁与框支柱 的节点 外 ， 柱端组合 的设计弯矩应满足下式要求 ： M。=叼 。 Mb 四川建筑科学研究 第 3 6卷 一 级框架结构及 9度时 ， 尚应符合 ： M 。：7 7 M b 式中 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， 上下柱端的弯矩设计值 ，可按弹 性分析分配； 帆 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 0 ； 尬 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 ，根据 实配钢筋面积( 计入受压筋) 和材 料强度标准值确定 ； 叼 柱端弯矩增大系数 ，一级取 1 4， 二级取 1 2 ，三级 取 1 1 。 虽然 建筑抗震设计规范 对“ 强柱弱梁” 的设 计作 了上述具体 的规定 ，但在 5 1 2汶川地震 中， 几乎没有见到框架结构出现梁铰机制， 绝大部分现 浇框架结构仍然出现了柱端严重破坏的“ 强梁弱 柱” 破坏现象， 仅未设置现浇板的框架结 构实现 了 “ 强柱弱梁” ， 即框架梁率先破坏 ， 框架柱基本完好。 因此， 现 浇楼 板对混 凝 土框架 结构 实现 “ 强柱 弱 梁” ， 具有重要的不利影响。 2影响“ 强柱弱梁 的因素 ( 1 )现浇楼板钢筋对梁端承载力的提高； ( 2 ) 梁端负弯矩实配钢筋面积较计算值增大很 多， 有的甚至超过 3 0 ； ( 3 ) 跨度很大( I6 m) 的粱 ， 梁底配筋较大 ， 当 按目前通常做法时， 梁底钢筋全部伸人支座时， 对梁 端正弯矩增加较大； ( 4 ) 柱截面宽度对构件计算内力和裂缝宽度的 影响加大梁端截面配筋； ( 5 ) 钢筋的强度离散性大且强屈比过高引起承 载力超强 ； ( 6 ) 梁柱线刚度 比过大对实现梁铰机制的不利 影响； ( 7 ) 填充墙使得框架梁刚度增大； ( 8 ) 柱的轴压比限值过高使得框架柱 的截面尺 寸偏小。 还有， 如高振型、 柱双 向受力等原因。因此 ， 要 充分实现框架结构的“ 强柱弱梁”屈服机制 ， 需 要 进一步开展深入全面的研究。本文仅从现浇楼板钢 筋对梁端承载力的提高角度进行深入分析 ， 并提 出 具体设计对策和建议。 3 现浇板对框架梁正截面承载力的 影响分析 目前 ， 混凝土框架结构基本采用现浇板， 现浇楼 板与框架梁整体浇筑 ， 共 同工作 能力强 ，可显著提 高框架梁的抗弯刚度和承载能力。主要原 因为： 楼 板作为框架梁的翼缘， 提高了梁的抗弯刚度， 楼板内 的钢筋相当于增加了框架梁的负弯矩筋，会显著增 强框架梁抵抗负弯矩承载力。 建筑抗震设计规 范 对框架现浇楼板 内与梁 肋平行 的钢筋参与梁端负弯矩承载能力的问题没有 做出明确规定 。蒋永 生等 曾做过一组现浇混凝 土梁柱节点的对 比实验。指出： 带有翼缘的框架梁 由于翼缘内平行于梁肋 的钢筋参与受力 ， 使得节点 支座处的实际负向屈服弯矩 比无翼缘梁的实测值提 高了 3 0 左右 ，已经超过很多情况下柱端弯矩增大 系数所 包含的梁超 强富余。因此， 蒋永生等建议： ( 1 ) 对梁板整浇的框架节点 ， 仅在梁端上部钢筋受 拉时 ， 考虑平行框架梁且具有足够锚 固长度的板 内 钢筋参与工作 ； ( 2 ) 近似取每一梁侧 6 ； ( 板厚) 范围 内的板 内上下钢筋参与受弯。 4典型 实例分析 。 ， 、 ， 、 J ， I， I 4 1 楼板钢筋对梁承载力的影响 为了分析研究楼板钢筋对框架承载力的影响， 本文设计了一典型框架结构分析计算 ， 结构基本设 计参数为： 4层框架， 横向 2跨 ( 4 8 m+ 6 9 m) ， 纵 向 5跨( 6 6 I T I ) ， 除底层层高为 4 2 m外 ， 其余层高 均为 3 6 m， 柱截面5 0 0 m m 5 0 0 mm， 主梁截面2 5 0 1 T I 1 T I 6 0 0 mm， 板厚为 1 0 0 I n l T l 。设计地震分组第一 组 ， 梁、 柱和板 均采用 C 2 5混凝 土， 纵 向钢筋采用 H R B 3 3 5 ， 楼板钢筋 和箍筋采用 H P B 2 3 5级 ， 板顶和 板底配筋均取 l 0 2 0 0 ( 大部分工程采用) ， 标准层 平面布置如图 1所示 ， 采用 P K P M 系列程序进行结 构计算 。楼板的钢筋作用考虑梁侧 6 h f 范围内的板 内上下钢筋参与受弯 ， 其对梁端负弯矩承载力的提 高 比例近似采用钢筋面积比， 其中， C轴边框架梁梁 端 1 ， B轴中框架梁梁端 2在不同烈度下的配筋计算 6 60 0 6 6 00 6 6 0 0 6 6 0 0 6 6 0 0 0 X 5 0 13 2 5 06 0 0 粱端 1 I r l 喜 g g 8 2 5 0 5 5 0 粱端 2 I ： 6 6 0 0 66 0 0 66 0 0 6 6 0 0 6 6 0 0 3 3 0 0 0 图 1 标准层平面布置示意 Fi g1 Lay o ut o f s t anda r d l ay e r 2 0 1 0 N o 5 宋吉荣 ， 等： 现浇板钢筋对混凝土框架结构抗震影响分析 5 7 结果见表 1 。 表 1 梁端 1 、 梁端 2在不 同烈度 下的配筋计 算结果 Ta bl e 1 Nu m be r of r e i nf or c e me nt c a l c u l a t e d un de r di ffe r e nt s e i s mi c i nt e ns i t y 注 ： 括 号里的数 值为等强换 算后 ( 从 H P B 2 3 5换 算为 HR B 3 3 5 )的钢 筋面积 。 从 以上典 型工程实例可以看出， 楼板 配筋对梁 端负弯矩承载力影 响范 围大致 为 8 4 0 ， 随着 烈度的增大而逐渐减小 ， 对 中框架较 对边框架 的影 响大。因此 ， 计算框架梁梁端负弯矩承载力时 ， 现浇 楼板内与梁肋平行的钢筋不能忽略。 4 2梁刚度 放大 系数 对梁 配筋 影 响 我 国规范中虽然在竖 向荷载和水平荷载作用下 结构内力计算时考虑 了楼板作为梁的翼缘对梁的刚 度增强作用 ， 将 中梁和边粱刚度一般分别放大到原 来 的2倍和 1 5倍 ， 但框架粱配筋时没有考虑翼缘 的影响。为 了分 析梁刚度放 大系数对梁配筋 的影 响， 本实例考虑粱刚度放大系数和不考虑梁刚度放 大系数梁端计算配筋 ， 分别见表 2 。 表 2 梁端计算配筋 Ta bl e 2 Num b e r of r e i nf o r c e me nt ca l c u l a t e d 工况 设防 烈度 不考虑梁刚度 放大系数时梁 端计算配筋 粱端 1 梁端 2 考虑梁刚度放 大系数 梁端计算配筋 粱端 1 梁端 2梁端 1 梁端 2 7 ( 0 1 g ) 7 ( 0 1 5 g ) 8 ( 0 2 0 g ) 8 ( 0 3 0 g ) 9 ( 0 4 0 g ) 从表 2可以看出 ， 当不考虑梁刚度放大系数 时， 梁端负弯矩计算配筋面积均减小。虽然 比考虑梁刚 度放大系数后并扣除梁侧 6 h ； 范围内板 内钢筋的实 际配筋面积大 ， 不能完全考虑楼板配筋的影响， 但在 一 定程度上可提高“ 强柱弱梁 ” 的实现程度 ， 烈度越 高越明显 。 5 加强框 架柱的抗震措施 5 1 2汶川地震框架主要震害为底层柱柱端混 凝土剥落、 压碎 、 箍筋松开散落 、 柱 纵筋压 曲 ( 形 成 柱铰) ， 从而导致房屋整 体或局部单元倒塌和 房屋 倾斜等破坏。由于地震的偶然性 、 随机性和复杂性 ， 即使计算上能够保证实现梁铰机制破坏 ， 也要采取 有力的抗震措施 ， 提高框架柱的延性 。汶川地震震 害表明： 我 国规范规定的抗震措施 ， 还需要从 以下几 方面进一步加强和完善 ： ( 1 ) 加强柱轴压 比的控制 ； ( 2 ) 提高框架柱 ( 特别是底层 ) 加密区、 节点 的 配箍率 ， 减小柱箍筋最 大间距和增大柱箍筋最小直 径 的限制 ； ( 3 ) 框架柱 加密 区采用连续 箍或焊 接封 闭箍 等。 6 结 论 现浇楼板的配筋影 响着混凝土框架结构 “ 强柱 弱梁” 的实 现， 结构设计 时不 能忽略现浇楼板 内与 梁肋平行的钢筋。 目前 ， 设计时可采用 以下方法之 一 ，近似考虑楼板配筋对实现“ 强柱弱梁” 的影响 ： ( 1 ) 设计时 ， 有必要把 6 ； 宽度 的楼板配筋作为 梁 的配筋 ， 从而适 当减小梁 的截面配筋 ； ( 2 ) 设计时， 不考虑楼板对梁 刚度的加强 作用 计算梁 的截面配筋 ， 考虑楼板对梁刚度 的加强作用 计算柱 的配筋。 当然 ， 影响“ 强柱弱梁” 实现 的因素很多 ， 综 合 考虑各种因素 ， 合理的计算及设计方法 ， 尚需在工程 实践中不断补充和完善。 参 考 文 献 ： 1 G B 5 0 0 1 12 0 0 1建筑抗震设计规 范 s 北京 ： 中国建筑工 业出版社 ， 2 0 0 1 2 蒋永 生 ， 陈忠 范 ， 周 绪平 ， 等 整浇楼 板的框 架节点 抗震研 究 J 建筑结构学报 ， 1 9 9 4， 1 2 ( 3 ) ： 1 1 1 6 3 叶列平 ， 曲 哲 ， 马千里 ， 等 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 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 1 1 ) ： 5 2 5 9 4 车轶 ， 尤杰 中欧抗震设计规范关于“ 强柱弱梁” 设计 比较 J 大连理工大学学报 ， 2 0 0 9， 4 9 ( 5 ) 5 高佐人 ， 马千里 现浇楼板对框架结 构柱梁强度 比的影 响研究 J 山西建筑 ， 2 0 0 9 6 朱炳寅 影响强柱弱梁 的主要 因素及设计对 策 J 建筑 结构 ( 技术通讯 ) ， 2 0 0 8 7 C E N B S E N 1 9 9 8 2 1 ： 2 0 0 4 ， E u r o c o d e 8：D e s i g n o f s t r u c t u r e s f o r e a r t h q u a k e r e s i s t a n c e P a r t 1： Ge n e r a l r u l e s ，s e i s mi c a c t io n s a n d r u l e s f o r b u i l d i n g s S L o n d o n ：B r i t i s h S t and a r d s I n s t i t u t i o n ， 2 O 0 5 8 中国建筑 科学研究 院 P K P M C A D工程 部 P K P M建 筑结构设 计 软件新功能详解 M 2 0 0 8版 北京 ： 中国建筑工业 出版 社 ， 2 0 0 8 黜 那