正文:
为了实现“大震不倒”的抗震设防目标, 必须将框架结构设计成延性框架。延性框架的设计是在“设计地震力-延性”准则设计思想的基础上, 采用能力设计法进行延性设计。结构遭遇强烈地震时, 将进入塑性阶段而产生较大的变形, 为了防止结构出现大的破坏或倒塌, 其结构不仅需要有一定承载力, 同时还需要有良好的延伸性以及塑性消耗能力, 当结构出现震动时, 可以通过塑性变形方式, 使结构抗震性能得到显著提高。当框架结构受到荷载作用使, 梁位置首先发生屈服, 能够有效分散内力, 提高耗能水平, 柱更多的用来作为压弯构建, 很难有耗能能力以及延伸性出现。为了抵御强烈地震的破坏, 就是要通过结构计算和构造措施保证在结构中发生梁铰破坏, 形成强柱弱梁型的整体破坏机制;防止发生柱铰破坏, 出现强梁弱柱型的层间破坏机制, 这对在强烈地震下实现“大震不倒”的抗震设防目标具有十分重要的意义。能力设计法中, 强柱弱梁屈服机制的实现是能力设计法的关键。虽然我国规范对实现强柱弱梁的屈服机制规定了保证措施, 这些保证措施对实现大震不倒的设防目标起到了一定的作用。但在历次地震中由于楼板配筋、填充墙、梁端弯矩超强等方面的影响, 使框架结构在设计完成后的实际柱梁抗弯承载力比值, 没有达到设计的目标要求, 进而使框架结构屈服后不能很好的实现梁铰机构 (或梁柱铰机构) , 出现有强柱弱梁情况, 导致框架结构受到强震时的抗震性能以及抗倒塌能力受到影响。因此, 针对框架柱、梁架柱以及梁抗弯承载力强度展开研究, 能够实现对框架结构在完成设计后的柱、梁抗弯能力比的有效分析, 为规范调整和施工提供依据。
1. 填充墙的影响
填充墙是钢筋混凝土框架结构房屋的重要组成部分, 在现行的钢筋混凝土框架结构设计中, 不重视在填充墙抗剪切以及支撑等方面的作用, 更多的考虑隔断以及围护作用。结合以往的震害情况来看, 一旦填充墙结构出现破坏, 将会带来非常严重的后果和影响, 导致生命财产损失巨大, 另外, 如果填充墙设置缺乏合理性, 会很大程度上降低框架结构体系抗震能力, 增大弱柱强梁破坏效果。结合汶川地震时填充墙框架结构震害展开分析, 填充墙对框架结构的抗震性能有显著影响 (如图a, b所示) ;另外, 试验和理论研究表明, 填充墙对于框架结构的强度、刚度和延性等基本性能都有相当大的影响。针对填充墙在框架结构体系的抗力以及刚度等方面因素影响展开深入的研究, 进而探究其对强柱弱梁屈服机制的影响程度, 对于填充墙结构抗震性能的提高有着十分重要的价值和作用。
通过对实际震害特征和实例工程的模拟实验数据进行分析可得到以下结论:
(1) 有填充墙的框架结构, 不论是全布满填充墙, 还是底层无墙而上部有墙, 其楼层位移和层间位移都比纯框架结构小, 说明填充墙增加了整个结构的刚度, 使框架结构具有更好的抗震性能。
(2) 有填充墙的框架结构的基底剪力和基底倾覆力矩值都比纯框架结构大。说明由于结构刚度和质量增加, 使得结构承担的地震荷载增大, 这部分增大的荷载, 将主要靠填充墙承担。
(3) 当底层不设填充墙时, 填充墙沿结构竖向分布不均匀, 使底层的层间剪力相对其它层要大, 而刚度较小, 造成结构层的刚度不均匀, 导致底层产生较大的层间弹性变形, 部分未设置填充墙楼层相对较为薄弱, 容易有层屈服机制出现, 强柱弱梁屈服机制很难出现。想要实现对薄弱层的有效控制, 必须要结合抗震规范中在框支剪力墙以及底部框架抗震砖房相关参数指标, 针对薄弱层附近侧移刚度比展开科学合理的控制, 且严格控制层间刚度比。
另外, 国内外多次地震破坏表明, 填充墙布置不均匀, 将会使结构的扭转响应加大, 造成结构扭转破坏;填充墙的存在还影响了裸框架结构的内力分布, 使柱的局部抗侧刚度过大, 导致短柱剪切破坏;在框架结构的门窗洞口处, 填充墙的存在约束了框架梁的变形, 使框架梁形成短梁, 短梁的延性差, 抗剪能力弱, 破坏时易成剪切破坏, 使得预期出现塑性铰的位置, 并没有出现塑性铰,
当前在填充墙结构影响方面的研究主要集中在填充墙与主体结构的构造措施等方面, 针对结构设计和结构分析模型方面对于填充墙因素的分析和考虑方面研究相对比较少。因此, 今后需开展对填充墙的结构分析模型和分析方法的进一步研究。
2. 梁端实际抗弯承载力超强的影响。
框架结构受到强烈地震作用, 想要实现强柱弱梁屈服机制, 那么就需要保证在梁柱节点处柱端处的受弯承载力超过梁端实际受弯承载力, 也就是ΣMcua≥ΣMbua。另外, 在抗震规范中, 针对柱端屈服还有着明确的规定, 如果梁端实配钢筋在计算配筋10%范围内, 在满足ΣMcua≥ΣMbua情况下, 可以适当降低柱端屈服。但是在实际设计过程中, 受到设计习惯、人为因素等多个方面因素得影响和干扰, 存在有非常严重的梁端配筋量超计算值10%情况, 实际配筋量比计算值大20%以上, 甚至更多。梁端钢筋的超强配置对实现强柱弱梁屈服机制产生了非常不利的影响。梁端底部实际配筋大大超过强梁弱柱计算中对应于梁底弯矩设计值的配筋量, 当采用多排钢筋时, 问题更严重;在工程建设过程中, 有着非常普遍的梁端钢筋超配情况, 很大程度上增大了梁端实际受弯承载力与计算值两者之间的差异, 加大强柱弱梁屈服机制实现难度;弹性计算模型增大了梁端负弯矩;钢筋强度离散性和和梁筋用量受重力荷载组合控制也可能造成梁端钢筋的超配。
在实际工程中, 部分设计人员从安全角度出发, 结合自身的设计经验, 将框架梁端纵向钢筋配筋量加大, 但又未按比例增大柱抗弯能力, 这相当于增大了梁的实际抗弯能力, 从而对结构整体抗震性能不利;另外, 设计人员在梁详图的设计中, 不区分具体情况盲目套用国家标准图集, 导致有梁端底部实际配筋量超过计算值情况, 在多排钢筋配比方面, 这种问题更严重;其次, 设计人员在构件裂缝宽度验算方面缺乏合理性, 增大了梁端实际配筋数量, 在实际验算时, 选择弹性方法对梁端截面的裂缝宽度进行验算, 在内力值的选择方面与实际截面位置存在有较大的差异性, 最终导致内力值不符合计算截面值, 梁端计算弯矩超过实际值, 在裂缝宽度计算方面也远远高于真实宽度, 梁端配筋存在有增大情况。
3. 楼板对框架梁的承载力和刚度增大影响
针对震害情况调查还发现, 存在有现浇楼板框架, 因为有现浇楼板存在, 很大程度上增大了梁的刚度和强度, 一旦有地震情况出现, 破坏位置更多的集中在震中位置, 增大了破坏的严重性;部分构架式框架没有楼板, 裂缝出现的部位主要集中在梁处, 破坏不是十分严重。在进行框架梁与楼板的浇筑时, 两者同时采取现浇方式, 结合效果良好, 相互作用效果显著, 框架梁抗弯的承载力以及刚度会有明显的提高。当梁端受到正弯矩力作用, 其框架梁与楼板位置会出现有T型截面, 框架梁受弯区宽度会有明显的提高, 达到提高梁端抗弯刚度以及抗弯承载力效果。在我国2001版《抗震规范》中, 针对框架的设计进行了深入的研究后得出结论, 在地震作用下, 框架最大层间位移一般会在1.5%范围内, 建议板的有效宽度取梁每侧6倍板厚。在梁端截面有效受拉翼缘宽度范围内, 针对负弯矩抵抗时会有框架梁平行的板筋共同作用, 会起到框架梁负弯矩筋效果, 实现增大梁端抗负弯矩性能。当前国内很多这方面专家学者认为, 在楼板内添加钢筋, 会增大约20%-30%框架梁实际抗弯承载力, 部分情况下, 框架梁实际抗弯承载力甚至会增大1倍。我国《抗震规范》中明确表明, 在进行梁端抗弯承载力的计算时, 如果将楼板内钢筋包含在内, 材料强度标准值中包含有超强系数方面内容, 则可以使弱柱强梁效果有一定的提高, 但是在楼板的影响方面并没有过于具体的考虑, 导致强柱弱梁实现难度比较大。
4. 框架结构在地震反应中的柱端弯矩增大的影响
框架结构在地震作用下的真实内力与按弹性分析得出的结构内力有明显的差异。造成柱端弯矩增大的原因可以从两方面认识:一方面, 梁端截面抗弯矩能力会受到多个方面因素的影响, 导致其超过最不利弯矩设计值, 增大梁端抗弯能力;另一方面, 受到强震作用, 框架结构会出现有较为复杂的非线性运动反应, 可能会导致梁端截面实际内力超过柱梁强度级差调整之后的设计内力, 其柱截面方面的抗弯水平可能会在轴力作用下出现下降。针对当前很多分析结果展开分析发现, 这种情况属于结构的非弹性动力反应过程中部分柱截面弯矩增大主要因素。在结构动力反应过程中, 柱的受力会受到以下两个方面因素影响:一方面, 当框架柱的内力重新分布, 导致柱反弯点位置发生变化, 柱两端弯矩比会出现较为明显的变化, 进而导致某断面弯矩值大于设计弯矩;另一方面, 受到地震作用影响, 框架柱轴力会存在有一定的改变, 这种变换情况在边柱为主表现较为明显, 地震程度越高, 柱轴力变化越明显。因此, 在进行柱抗弯能力增强措施的选择时, 需要对以上两个方面因素进行充分的分析考虑, 最终实现强柱弱梁。
5. 框架柱轴压比限值偏高的影响
当规范对柱轴压比限值定的过高时, 将会导致框架柱截面尺寸偏小, 从而对实现强柱弱梁的屈服机制产生非常不利的影响, 甚至会导致框架柱过早失效而造成结构的倒塌破坏。
(1) 框架柱截面尺寸偏小, 将使框架柱端抗弯力臂相对较小, 在地震力的综合作用下, 很可能使柱端受弯承载力不满足要求。如果框架柱截面尺寸过小, 那么在框架柱位置的刚度会有明显的下降, 最终增大梁柱刚度比, 加大强柱弱梁屈服实现难度。
(2) 轴压比限值偏大, 通常使柱轴压力接近界限轴力, 当遭遇罕遇地震时, 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, 使得柱的实际受弯承载力不满足强柱弱梁受弯承载力的要求。
(3) 在进行结构的设计时, 更多的从单向角度考虑, 但是实际的地震过程中, 柱会受到两个方面作用力, 其中角柱和边柱位置受力较为明显, 在这种情况下, 更容易有受压破坏情况出现。
(4) 当前在进行轴压比的计算时, 往往与水平地震作用下柱轴压力综合分析确定, 但实际上, 地震更多的是出现在竖向, 其振动加速度远远超过水平方向地震的振动加速度, 受到竖直和水平两个方向地震负荷作用, 非常容易有框架柱破坏情况出现。
6. 强柱弱梁屈服机制的实现, 尚需进一步研究问题。
(1) 地震作用相对较为复杂, 还很难针对钢筋屈服强度以及楼板的影响进行准确的分析计算。现浇楼板对梁的强度刚度, 以及楼板内配筋对框架梁的负弯矩的影响需要做深入准确的分析。
(2) 框架结构填充墙与框架协同作业, 对框架结构的延性的影响, 进而对实现强柱弱梁屈服机制的影响处于初步研究的阶段, 还需要对各种因素的作用, 进行综合模拟分析。
(3) 由于人为的和构造原因造成的框架梁端的钢筋超强, 造成的梁柱弯矩比列距强柱弱梁设计原则的要求有很大差距, 是很重要的一个原因, 对于在实际的工程设计中如何进行有效控制, 降低强柱弱梁屈服机制实现难度, 还需要与相关的设计软件结合在一起, 针对结构设计方法进行综合分析考虑。
摘要：强柱弱梁是框架结构设计的基本原则。本文主要从填充墙、梁端实际抗弯承载力超强、梁端承受正弯矩、框架结构在地震反应、框架柱轴压比限值等方面对影响强柱弱梁屈服机制的一些因素进行了分析, 为设计和施工起到借鉴意义。
关键词：强柱弱梁,屈服机制,影响因素
参考文献
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