現(xiàn)澆樓板對框架梁抗彎承載力和剛度增強作用的研究

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)；現(xiàn)澆樓板；強柱弱梁 

　　一、引言 

　　鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是工業(yè)和民用建筑中常用的結(jié)構(gòu)形式之一�！督ㄖ�抗震設(shè)計規(guī)范》中 6.2.2 條文說明指出，地震作用下框架結(jié)構(gòu)的變形能力與其破壞機制密切相關(guān)。“強柱弱梁”屈服機制，屬于整體型結(jié)構(gòu)屈服機制，可使整個框架結(jié)構(gòu)有較大的內(nèi)力重分布能力，有盡可能多的結(jié)構(gòu)構(gòu)件參與整體結(jié)構(gòu)抗震，地震能量可分布于所有樓層耗散，耗能能力大，極限層間位移增大，抗震性能較好，是框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計所期望的理想屈服機制。 

　　為了保證現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下具有良好的耗能能力，針對“大震不倒”的設(shè)防目標，我國現(xiàn)行規(guī)范采用了“強柱弱梁”的設(shè)計準則。但對1976年的唐山地震中48幢鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的震害調(diào)查表明[3]，由于現(xiàn)澆樓板與框架梁的共同工作，提高了梁端的受彎承載力，致使破壞大多產(chǎn)生在柱中；凡是沒有樓板的空框架，則裂縫都出現(xiàn)在框架梁中。對我國建國以來最為強烈的“5.12”汶川大地震震害調(diào)查亦表明：并未實現(xiàn)設(shè)計規(guī)范所要求的“強柱弱梁”梁鉸破壞機制，大量的現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了“強梁弱柱”型柱端破壞的震害，甚至還有節(jié)點區(qū)破壞的情況。由此可見，現(xiàn)行規(guī)范針對“強柱弱梁”設(shè)計準則提出的設(shè)計方法只能在一定程度上減緩柱端的屈服，并不能真正達到“強柱弱梁”。結(jié)合國內(nèi)外的研究及震害分析可知，造成“強梁弱柱”型破壞形式的一個主要原因在于結(jié)構(gòu)設(shè)計中忽略了框架梁端附近現(xiàn)澆樓板對梁端截面抗彎承載力的提高作用。本文僅從樓板對框架梁的剛度和承載力貢獻方面，分析研究其增強作用。 

　　二、現(xiàn)澆樓板對框架梁抗彎承載力和剛度增強作用的影響因素研究 

　　早在20世紀八十年代國內(nèi)外學者就已經(jīng)提出樓板對框架梁的抗彎能力具有不可忽視的增強作用，但是該認識始終只停留在定性的層面上，至今為止未能給出考慮現(xiàn)澆樓板對框架梁影響的量化公式。國內(nèi)外諸多學者對現(xiàn)澆樓板進行了一系列的試驗研究和數(shù)值模擬分析，試圖找到并量化樓板的作用，期望通過簡單準確的設(shè)計方法將其列入實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計中來，使得現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠較好地實現(xiàn)“強柱弱梁”的破壞機制。目前，多從框架梁剛度放大系數(shù)、柱梁抗彎承載力比、節(jié)點支座處的實際負彎矩、樓板作用對框架塑性鉸發(fā)展的影響、樓板內(nèi)鋼筋的影響、板有效寬度的確定等方面，對現(xiàn)澆樓板對框架梁抗彎承載力和剛度增強作用的影響因素展開研究。 

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　　在進行框架結(jié)構(gòu)計算時，梁、柱的剛度對結(jié)構(gòu)的受力有較大影響，并直接關(guān)系到“強柱弱梁”機制能否實現(xiàn)�？蚣苤�的剛度主要與材料的彈性模量及截面尺寸有關(guān)，而框架梁的剛度不僅與材料彈性模量和截面尺寸有關(guān)，還與現(xiàn)澆樓板的厚度及結(jié)構(gòu)跨度有關(guān)。 

　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常采用一個剛度放大系數(shù)來考慮這些因素的影響，即一般需將中梁和邊梁的剛度按原框架梁矩形截面剛度分別乘2.0 和1.5。這僅僅是對豎向荷載作用下的梁剛度考慮了樓板的增強作用，而對框架現(xiàn)澆樓板內(nèi)與梁肋平行的鋼筋參與梁端負彎矩承載能力的問題沒有做出明確考慮。實際結(jié)構(gòu)中樓板鋼筋參與框架梁受力的鋼筋很可能超出框架梁自身配筋面積的10 %以上，從而導致《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的“強柱弱梁”要求實際上無法實現(xiàn)。 

　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一般都是不考慮樓板參與整體計算，大部分情況下是直接將荷載倒算的梁上，而在計算水平荷載（地震與風荷載） 的時候考慮樓板對梁剛度的提高作用，用一個中梁（邊梁） 剛度放大系數(shù)來考慮樓板的作用，但計算梁配筋的時候又只考慮矩形截面，這樣一來形成了本來是T形梁承受荷載，鋼筋計算卻完全集中在矩形截面中�？紤]樓面影響后，框架梁的計算內(nèi)力增大，配筋量也增大，這僅考慮了樓板剛度對框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，對實現(xiàn)“強柱弱梁”無直接關(guān)系。 

　　設(shè)計規(guī)范除了在對框架梁跨中位置以Γ形梁或T形梁形式來考慮樓板對框架梁抗彎剛度帶來的影響外 ，在其他位置都忽略了樓板對梁剛度和強度上的提高，從而大大低估了框架梁的實際抗彎能力，造成了框架梁的“超強”現(xiàn)象。 

　�。ǘ�）柱梁抗彎承載力比 

　　為保證“強柱弱梁”設(shè)計原則的實現(xiàn)，建筑抗震設(shè)計規(guī)范根據(jù)不同的抗震等級要求梁柱節(jié)點處柱端抗彎承載力之和與梁端抗彎承載力之和的比值在1.1～1.7之間。但是大量實際框架結(jié)構(gòu)工程中采用現(xiàn)澆樓板，而設(shè)計時往往沒有考慮受壓時樓板翼緣或受拉時樓板鋼筋對梁抗彎承載力的貢獻，影響框架在地震作用下 “強柱弱梁”設(shè)計原則的實現(xiàn)。 

　�。ㄈ�）節(jié)點支座處的實際負彎矩 

　　我國規(guī)范雖然對豎向荷載作用下梁的剛度考慮了樓板的增強作用，將中梁和邊梁的剛度分別放大2倍和1.5倍，但對框架現(xiàn)澆樓板內(nèi)與梁肋平行的鋼筋參與梁端負彎矩承載能力的問題沒有做出明確規(guī)定。已有試驗和理論研究表明，當梁端承受負彎矩時，現(xiàn)澆樓板將顯著增大梁端截面的抗彎承載力，這對規(guī)范中要求的“強柱弱梁”抗震設(shè)計原則造成了極大的挑戰(zhàn)。 

　　目前，美國ACI318-02規(guī)范[15 ]明確指出驗算框架柱梁強度比時，梁端承載力特別是負彎矩承載力需要考慮有效翼緣寬度范圍內(nèi)的樓板與梁協(xié)同工作，并對各種節(jié)點中有效翼緣寬度作了細致規(guī)定，在此基礎(chǔ)上進一步考慮柱端彎矩增大系數(shù)，以達到“強柱弱梁”的設(shè)計目標。 

　　（四）樓板作用對框架塑性鉸發(fā)展的影響 

　　學者French等人 收集和總結(jié)了各國20個梁-板-柱節(jié)點（ 13個中節(jié)點、7個端節(jié)點）試驗結(jié)果，對獲得的數(shù)據(jù)進行分析后認為，如果將板的有效寬度取為ACI規(guī)范規(guī)定的有效寬度，則計算出的抗彎強度就將接近于實測的當層間水平位移角為2%時的抗彎強度；French 同時指出，由于板的作用是極其復雜的，它與許多變量有關(guān)，而目前所獲得的實驗數(shù)據(jù)依然非常有限，因此目前對板有效寬度的確定仍然帶有很大的近似性。 

　　三、結(jié)語 

　　綜合上述國內(nèi)外研究可知，深入研究現(xiàn)澆樓板對框架梁的受力影響是改進現(xiàn)行設(shè)計方法、更好地實現(xiàn)“強柱弱梁”設(shè)計準則的基礎(chǔ)，亟待展開的研究工作如下： 

　�。�1）現(xiàn)澆樓板薄膜效應(yīng)對結(jié)構(gòu)整體受力機理具有較大的影響。因樓板厚度與長度、寬度之間的尺寸差別懸殊，有必要對樓板的薄膜效應(yīng)帶來的影響進行深入研究。 

　�。�2）需對現(xiàn)澆板空間框架模型進行雙向低周反復試驗，考慮板的空間效應(yīng)和雙向地震力的影響，并對模型進行雙向地震作用下的時程分析，結(jié)合試驗結(jié)果對其進行綜合評價，以期更加貼近實際情況。 

　　（3）在已有的研究中所采用的試件均為帶樓板的梁柱節(jié)點或平面框架，應(yīng)將具有結(jié)構(gòu)整體作用的空間框架結(jié)構(gòu)作為研究對象進一步研究。 

　　參考文獻 

　　[1]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50011-2010混凝土抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2010. 

　　[2]葉列平，曲哲，馬千里等. 從汶川地震框架結(jié)構(gòu)震害談“強柱弱梁”屈服機制的實現(xiàn)[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2008，Vol.38（11）：52-59.