现浇楼板对框架结构柱梁强度比的影响研究马千里,叶列平,陆新征,马玉虎(清华大学土木工程系,北京,100084摘要:“”强柱弱梁屈服机制是框架结构的抗震设计原则,但由于现浇楼板等因素的影响,实际框架结构并不能实现梁铰屈服机制。本文总结了大量研究者的试验和分析结果,并通过算例证明楼板对框架梁的负弯矩承载力有较大提高,因此建议将框架梁等效为T形或者型梁进行设计计算,在此基础上按规范要求考虑柱端弯矩放大系数;或将楼板钢筋考虑为超配钢筋,进一步提高柱端弯矩放大系数,“”使实际结构真正实现强柱弱梁的屈服机制。关键词:框架结构,强柱弱梁,柱梁强度比,楼板,有效翼缘宽度1概述框架结构梁铰屈服机制是抗震设计所期望的框架失效机构。《建筑抗震设计规范条文说明》[1]指出框架结构的变形能力与框架的破坏机制密切相关。试验研究表明,梁先屈服,可使整个框架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。我国现行的《建筑抗震设计规范》(GB50010-2001[2]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0.15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式(1要求:ΣMc=ηcΣMb(1一级框架结构及9度时尚应符合ΣMc=ηcΣMbua(2其中,ΣMc为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;ΣMb为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零;ΣMbua为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;ηc为柱端弯矩增大系数,一级取1.4,二级取1.2,三级取1.1。“”虽然规范对强柱弱梁的设计作了具体的规定,但在这次汶川地震中几乎没有见到框架结构出现梁铰机制,很多现浇框架结构仍然出现了柱端破坏的震害(见图1,甚至有节点区破坏的情况。出现这种震害现象的原因有,框架梁跨度过大使得其截面尺寸增大、框架梁上有填充墙使得框架梁刚度增大、楼板对框架梁的刚度和承载力贡献,规范对框架柱的轴压比限值过高使得框架柱的截面尺寸偏小等。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。本文仅从楼板对框架梁的刚度和承载力贡献,分析研究框架结构柱梁强度比对“”实现强柱弱梁机制的影响。现浇楼板一般与框架梁结合良好,共同工作能力强,可显著提高框架梁的抗弯刚度和承载力,主要体现在两方面:(1在正弯矩区,楼板和框架梁共同组成一T型梁,有效增加了框架梁的受压区宽度。(2在负弯矩区,楼板内的超配钢筋相当于增加了框架梁的负弯矩筋,会显著增强框架梁的抗负弯矩承载力。《建筑抗震设计规范条文说明》[1]指出,“”强柱弱梁的概念设计,由于地震的复杂性、楼板的影响和钢筋屈服强度的超强,难以通过精确的计算真正实现。故而抗震规范仅规定对9度及一级框架结构需要考虑框架梁的实际受弯承载力;其他情况通过弯矩增大系数来近似考虑一定的超配钢筋和钢筋超强。但在具体设计计算过程中,规范没有要求考虑楼板对框架梁极限承载力的影响,仅在条文说明中指出当计算梁端抗震承载力时,若计入楼板内的钢筋且材料强度标准值考虑一定的超强系数,“”则可以提高框架结构强柱弱梁的程度。图1汶川地震中框架结构的柱铰破坏机制我国规范中虽然对竖向荷载作用下梁的刚度考虑了楼板的增强作用,将中梁和边梁刚度一般分别放大到原来的2倍和1.5倍,但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[3]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30%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。这说明采用现行规范,“不考虑楼板钢筋设计出的框架梁可能无法满足实际结构中强柱”弱梁的要求,实际结构中楼板钢筋残余框架梁受力的钢筋很可能超出框架梁自身配筋面积的10%以上,“”因此现行规范规定的强柱弱梁要求,实际无法实现。2.典型框架分析为分...