汶川地震谈钢筋混凝土框架“强梁弱柱”设计方法

汶川地震谈钢筋混凝土框架“强梁弱柱”设计方法

陈栋

身份证号：320683197808046416陈栋（南通巿精华建设工程监理有限公司）

摘要：本文介绍了汶川地震中出现的几种典型震害。详细介绍了我国抗震规范对强柱弱梁设计的要求。最后针对“强梁弱柱”破坏机制具体讨论了楼板，填充墙和柱的轴压比对其的影响，可供相关设计人员提供参考。

关键词：地震；强梁弱柱；框剪结构；有限元；

1.汶川震害概况

2008年，四川省汶川县发生了8.0级特大地震，震中最大破坏烈度达11度，共造成779万间房屋倒塌，2450万间房屋损坏。钢筋混凝土框架结构是汶川地震灾区尤其是城镇区的一类重要房屋结构类型，在此次地震中遭受到普遍破坏，其受损面积约占受损建筑总面积的10%。

在汶川地震中，钢筋混凝土框架结构主要震害主要震害现象有：

(1)围护结构和填充墙严重开裂和破坏(图1(a));

(2)填充墙不合理设置或错层形成短柱剪切破坏(图1(b));

(3)柱端出现塑性铰,未实现强柱弱梁屈服机制(图1(c));

(4)柱剪切破坏,梁柱节点区破坏(图1(d));

(5)填充墙不合理设置造成结构实际层刚度不均匀,导致底部楼层侧移过大,并导致倒塌或导致结构实际刚度偏心使结构产生扭转地震响应(图1(e))。

图1框架结构震害情况

2.抗震规范对强柱弱梁屈服机制的规定

在2010建筑抗震设计规范6.2中对强柱弱梁的设计做了以下规定：一、二、三、四级框架的梁柱的节点处，除框架顶层和柱轴压比小于0.15者及框支柱的节点外，柱端组合的弯矩设计值应符合下式的要求：

（1a）

一级的框架结构和9度的一级框架可不符合上式要求，但应符合下式的要求：

(1b)

各参数详见2010抗规6.2条文。

式(1-a,b)主要考虑了钢筋和混凝土等材料强度的变异性、地震的复杂性以及钢筋屈服强度超强等因素给出的实现强柱弱梁机制所需的梁柱端弯矩增大系数,式(1a)的ηc是基于不超过10%梁端钢筋超配条件给出的。其中材料强度的变异性和钢筋屈服强度的超强等因素具有相对可靠的统计指标,可以进行比较准确的估计,但地震的复杂性包括了地震地面运动的随机性和结构地震反应的动力效应等多方面因素,影响十分复杂,难以准确考虑。此外,式(1a)考虑的10%梁端钢筋超配也没有正确反映目前我国建筑工程设计的实际情况。柱端增大系数ηc只能保证在梁柱节点的局部,梁端先于柱端出现塑性铰,这只在一定程度上减缓柱端的屈服，但却不能保证在结构整体中不出现柱端塑性铰,从而不能保证预期梁铰机制的出现。这是因为局部的梁柱端抗弯承载力级差并不能从整体结构层面上反映结构形成某种机制后的受力状态。

3.影响强柱弱梁屈服机制的因素

3.1填充墙的影响

填充墙对框架结构实现预期的强柱弱梁屈服机制的影响很多。主要原因在于填充墙具有一定的结构作用，类型又很多，布置位置多种多样，且使用中经常被改造。相关研究表明：(1)填充墙材料性质造成其自身刚度的不同,随填充墙自身刚度减小,对框架抗侧刚度的贡献减小,依次是标准砖、空心砖、加砌混凝土砌块,但即使采用低强度砌块,填充墙刚度对框架结构的影响也不能完全忽略。(2)结构同一层随隔墙数量增加,周期减小,结构刚度变大,层间刚度突变越来越不明显,当上下层的隔墙布置仅有少量差异时,结构周期非常接近,影响很小。(3)薄弱层在底层时,对结构整体性能影响最大,地震力作用下底层发生破坏的可能性最大;薄弱层往顶层移动,只在薄弱层位置处位移增大,刚度突变,上下层刚度比增加,但与其上相邻三层刚度均值之比却在减小,刚度比不满足规范要求;薄弱层在顶层时,对结构整体影响最小。(4)薄弱层填充墙的数量及其在楼层中的位置是影响自振周期计算的两个主要原因;随“薄弱层”位置不同,填充墙对框架抗侧刚度的参与率不同,随高度增加而有所减小。

3.2楼板的影响

楼板一般与框架梁一起现浇,两者结合良好,共同工作能力强,可显著提高框架梁的抗弯刚度和抗弯承载力。影响现浇楼板对框架梁增强作用程度的主要因素有节点类型、横向梁刚度以及侧向位移值。国内外许多研究者表明，楼板内的钢筋会使框架梁的实际抗弯承载力增大20%～30%,甚至有些情况下会增大近1倍。但结构设计中仅考虑楼板对框架梁抗弯刚度的提高,将中梁和边梁的刚度按原框架梁矩形截面刚度乘1.5或2.0的增大系数。此做法虽然增大了梁端弯矩,但同时亦增大了梁的配筋,且楼板钢筋的作用未计入。因此,要真正实现“强柱弱梁”的设计目标,必须考虑楼板有效翼缘宽度范围内,梁受到的增强作用,并将其等效为T形或者Г形梁进行设计计算。

3.3柱轴压比偏高的影响

从汶川地震破坏现场可以看出，框架结构的柱子大多过细，以至于框架柱很容易出现塑性铰，甚至折断。在实际工程中，业主和建筑师希望柱子越小越好，以便增大空间面积。而规范中柱子的轴压比限值过高，导致侄子的截面尺寸过小。这将导致框架柱在以下几个方面出现不利情况：（1）框架柱的截面偏小，框架柱端的抗弯力臂过小，不利于柱端受弯承载力。(2)正常使用状态下，框架柱处于高受压状态，地震作用下混凝土先打到极限压应变产生压坏;(3)轴压比限值偏大,通常底部几层框架柱轴压力已基本接近界限轴力,当遭遇罕遇地震,柱轴力会进一步增大,可能超过界限轴力而成为小偏压受力,这会导致柱抗弯承载力降低。(4)框架柱截面尺寸偏小,会使得框架柱刚度偏小,导致柱梁刚度比偏小,不利于实现强柱弱梁机制。(5)目前,轴压比计算主要依据水平地震作用下的柱轴压力确定,实际地震大多有竖向地震,尤其是汶川地震,竖向地震动加速度明显高于水平地震动的。

4.结语

尽管框架结构强柱弱梁屈服机制是一种理想的抗震屈服机制,但许多因素都导致其实现的可能性降低。汶川地震中框架结构大量出现柱铰的震害现象已充分说明这一问题。因此,工程设计人员应从工程结构的实际受力状况考虑,对各种可能影响强柱弱梁屈服机制的因素给予全面考虑,并采用合理的结构分析模型和分析方法,将这些因素纳入到整体结构的设计计算中,做到柱梁实际受弯承载力比满足式1a,b,以充分保证实现强柱弱梁屈服机制。

参考文献

[1]《建筑抗震设计规范GB50011—2010》中国建筑工业出版社,2010

[2]《混凝土结构设计规范GBJ50010-2011》中国建筑工业出版社,2011.

[3]《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程JGJ3—2002》中国建筑工业出版社,2002