基于“强柱弱梁”抗震概念的框架结构设计改进探讨
2016-11-09    浏览次数:106

摘要:强震中部分框架结构发生较严重破坏,且震害集中在框架柱?;?ldquo;强柱弱梁”的抗震概念,针对框架结构提出设计改进探讨。相比常规设计,改进后既节约土建造价,又有助于实现“大震不倒”的抗震设防目标。

关键词: 强柱弱梁;框架;有利屈服

 

1、多层框架震害

        近十年来,强烈地震在国内曾多次发生,造成大量房屋建筑倒塌和人员伤亡。如2008年汶川地震8.0级,69227人遇难;2010年玉树地震7.1级,2698人遇难。

        吃一堑长一智,结构工程师很有必要分析地震灾害对房屋建筑的影响,总结经验和教训,指导以后的工程设计。

        多层框架由于空间灵活、使用方便、土建成本较低,在国内被大量的应用于中小型公共建筑,如学校、医院、商店、办公楼。

        在国内历次强震中,框架结构房屋的震害比多层砌体房屋要轻很多,不过也存在不少抗震薄弱环节。在汶川地震中有一定数量的框架结构发生较严重破坏,极少数甚至出现坍塌。据震害调查,框架柱的破坏明显重于梁,柱端与节点的破坏较为突出,“强柱弱梁”型结构少,而“强梁弱柱”型结构很普遍。如图所示。

 

2、“强柱弱梁”抗震概念的由来

        抗规条文说明5.1.6条指出,“在强烈地震下,结构和构件并不存在最大承载力极限状态的可靠度。从根本上说,抗震验算应该是弹塑性变形能力极限状态的验算。”也就说,必须考虑在极端强烈地震下,某些结构构件进入非弹性,形成结构屈服耗能,做到“大震不倒”。

        框架结构在地震作用下的抗倒塌能力与其屈服破坏机制密切相关。多高层钢筋混凝土房屋可以归纳为两类屈服机制,一种为总体机制,另一种为楼层机制。典型的楼层机制表现为在地震作用下仅竖向构件屈服,而水平构件处于弹性,结构的自由度与层数相同。总体机制则表现为所有水平构件屈服而竖向构件除根部外均处于弹性,总体结构围绕根部作刚体转动,仅有一个自由度。

        试验研究表明,总体屈服型框架有较大的内力重分布和能量消耗能力,极限层间位移大,抗震性能好,具备“产生大变形而又不坍塌的能力”;楼层屈服型框架则耗能能力弱,容易形成倒塌机制。

       在地震作用下首先屈服的构件称为主要耗能构件,它在屈服发展过程中受到其他仍处于弹性状态的构件的约束;这一阶段称为有约束屈服阶段??拐鹕杓凭褪且璺ㄑ映ふ庖唤锥我蕴岣呓峁沟目拐鹦阅?。

       抗震设计应从设计和构造上实现多道抗震防线。对于框架结构,第一道防线是框架梁,让尽可能多的梁屈服之后才出现框架柱底屈服。利用框架梁的屈服耗能来防止或延缓框架柱底部屈服,这就是教科书总结为“强柱弱梁”的概念设计思想。

       抗震设计规范GB50011的6.2.2条、6.2.3条是对“强柱弱梁”概念的落实,意图做到“节点处梁端实际受弯承载力小于柱端实际受弯承载力”。不过由于地震的复杂性、楼板的影响和钢筋屈服强度的超强等,难以通过精确的承载力计算真正实现“强柱弱梁”概念。反映到房屋震害,就是上部各层梁构件完好,而底层柱构件先破坏乃至极端的底部整层垮塌的现象。

 

3、框架结构基于“强柱弱梁”抗震概念的设计改进探讨

       基于“强柱弱梁”的概念设计思路,我们在符合现有规范的前提下,尽量挖掘梁、板等水平构件的承载力潜能,适当降低梁端实际受弯承载力,有助于实现有利屈服机制。具体采取以下设计改进:

①考虑梁柱刚域

       考虑刚域后,会使结构整体刚度加大。一般情况下竖向构件配筋将加大;梁端截面计算弯矩可以取刚域边截面的弯矩值,而不是以往的柱截面中心点处弯矩值,从而减小梁端截面配筋量。

②合理控制框架梁的梁端底部钢筋进入框架柱的数量

       框架梁跨中截面配筋要求与框架梁端截面底部配筋是有区别的,应控制梁端底部实际配筋与计算值的偏差。具体做法可参考平法图集16G101-1第30页、第90页。这样既有利于强柱弱梁的实现,又避免太多的梁钢筋锚固在梁柱核心区,有利于保证核心区混凝土的浇筑质量。

③考虑楼板的刚度

       在上部结构计算中,楼板的计算假定有刚性板、弹性膜、弹性板3、弹性板6。其中刚性板是楼板平面内刚度无限大,平面外刚度为零;弹性膜只有面内刚度,无面外刚度;弹性板3只有面外刚度,面内刚度无穷大;弹性板6是壳单元,既有面内刚度又有面外刚度。

       目前国内主流结构设计软件如SATWE、YJK,均默认楼板为刚性板。若改用其他计算假定,需在特殊构件定义里人工设置。

       刚性板假定可使结构分析的自由度数量大幅减少,但它完全忽略了楼板平面外的抗弯承载能力。对于常规框架结构来说,刚性板假定时,荷载由楼板传递给梁,梁再传递给柱。梁板之间是支承关系,而非协同工作关系。

       弹性板6是壳单元,是更符合楼板实际状况的力学模型,并可发挥楼板的平面外抗弯承载力。采用弹性板6计算假定,可使荷载由板和梁共同承担、共同工作,减少梁的受力和配筋,进而帮助实现“强柱弱梁”概念。

 

4、结论

       要做到“大震不倒”保障生命安全,房屋结构体系应具有良好的消耗地震能量的能力。试验研究表明,利用框架梁的屈服耗能可以防止或延缓框架柱底部屈服,从而具备“产生大变形而又不坍塌的能力”。因此规范强调“强柱弱梁”的抗震设计概念。

       基于上述设计理念,本文针对框架结构提出设计改进探讨,在我司以往工程中,均有实践应用:如多数框架结构计算时采梁端刚域假定;某大型公建,为节约造价和改善抗震性能,计算不需要时框架梁端底部第二排筋不伸入框架柱;某地下车库,顶板厚250m,其计算采用弹性板6假定,考虑梁板共同承受荷载,钢筋用量相比常规设计明显减少。以上改进后既节约土建造价,取得较好的经济效益;又强化了“强柱弱梁”的设计意图,有助于实现“大震不倒”的抗震设防目标。

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