新舊建筑抗震加固設(shè)計對比和分析

我國抗震規(guī)范采用“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準抗震設(shè)防目標，針對現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)“大震不倒”的設(shè)防目標，現(xiàn)行規(guī)范提出了“強柱弱梁”的設(shè)計準則。所謂“強柱弱梁”是指節(jié)點處柱端實際抗彎承載力大于梁端實際抗彎承載力，目的是保證結(jié)構(gòu)遭遇強震作用時，梁端先于柱端屈服，整個框架有較大的內(nèi)力重分布和能量消耗能力，使結(jié)構(gòu)獲得良好的延性，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生整體倒塌。然而，汶川地震建筑震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，即使按我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》( GB 50011-2001) ( 簡稱舊抗震規(guī)范) 設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)，在罕遇地震作用下大多出現(xiàn)柱端塑性鉸，甚至出現(xiàn)了“柱鉸機制”，未能實

現(xiàn)“強柱弱梁”屈服機制的設(shè)計預(yù)期。為此，在總結(jié)近十年來的抗震科研新成果和地震經(jīng)驗教訓的基礎(chǔ)上，新《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》( GB 50011-2010 ) ( 簡稱新抗震規(guī)范) 已于2010 年12 月1 日實施了。新抗震規(guī)范是在舊抗震規(guī)范的基礎(chǔ)上修訂而成的，本文主要針對新舊抗震規(guī)范關(guān)于“強柱弱梁”方面進行了比較詳細的對比和分析。1 新抗震規(guī)范關(guān)于“強柱弱梁”的主要改進
1． 1 彎矩調(diào)整系數(shù)為了便于設(shè)計計算，我國規(guī)范采用增大柱端彎矩設(shè)計值的方法實現(xiàn)“強柱弱梁”，推遲框架柱塑性鉸的出現(xiàn)時間。舊抗震規(guī)范6． 2． 2 條規(guī)定［1］，一級、二級、三級框架柱，除框架頂層和柱軸壓比小于
0. 15 者及框支梁與框支柱的節(jié)點外，柱端組合的設(shè)計彎矩應(yīng)滿足下式要求:
ΣMc = ηcΣMb
( 1)
一級框架結(jié)構(gòu)及9 度時尚應(yīng)符合下式要求:
ΣMc = 1． 2ΣMbua
( 2)
而新抗震規(guī)范［2］針對這條做了兩處改進: ①提高了框架結(jié)構(gòu)中框架柱端彎矩增大系數(shù)，并補充了四級框架的柱端彎矩增大系數(shù)如表1; ②明確了對于一級框架結(jié)構(gòu)和9 度時的一級框架，可不符合式( 1) ，只需符合式( 2) 按梁端實配抗震受彎承載力確定柱端彎矩設(shè)計值。即使按增大系數(shù)的方法比實配方法保守，也可不采用增大系數(shù)方法。對于二、三級框架結(jié)構(gòu)，也可按式( 2) 的梁端實配抗震受彎承載力確定柱端彎矩設(shè)計值，但式中的系數(shù)1． 2 可適當降低，如取1． 1 即可; 這樣有可能比按內(nèi)力增大系數(shù)即式
( 1) 調(diào)整的方法更經(jīng)濟、合理。計算梁端實配抗震受彎承載力時，還應(yīng)計入梁兩側(cè)有效翼緣范圍的樓板。因此，在框架剛度和承載力計算時，所計入的梁兩側(cè)有效翼緣范圍應(yīng)相互協(xié)調(diào)。
表1 框架結(jié)構(gòu)柱端彎矩調(diào)整系數(shù)變化對比
Table 1 Comparison of moment magnifying
coefficients at column ends of frames
規(guī)范版本
抗震等級
一二三四
舊規(guī)范1． 4 1． 2 1． 1 1． 0
新規(guī)范1． 7 1． 5 1． 3 1． 2
表2 框架結(jié)構(gòu)柱軸壓比限值對比
Table 2 Comparison of the limited value of
axial compression ratios of frame column
規(guī)范版本
抗震等級
一二三四
舊規(guī)范0． 7 0． 8 0． 9
新規(guī)范0． 65 0． 75 0． 85 0． 9
1． 2 抗震構(gòu)造措施針對柱截面最小尺寸，舊抗震規(guī)范6． 3． 6 條規(guī)定［1］，截面的寬度和高度均不宜小于300mm; 圓柱
直徑不宜小于350mm; 新抗震規(guī)范6． 3． 5 條規(guī)定［2］，截面的寬度和高度，四級或不超過2 層時不宜小于300mm，一、二、三級且層數(shù)超過2 層時不宜小于400mm; 圓柱的直徑，四級或不超過2 層時不宜小于350mm，一、二、三級且層數(shù)超過2 層時不宜小于450mm。新抗震規(guī)范，根據(jù)汶川地震的經(jīng)驗，對一、二、三級且層數(shù)超過2 層的房屋的框架柱最小截
面尺寸，比舊抗震規(guī)范增加100mm，以便有利于實現(xiàn)“強柱弱梁”。軸壓比是影響鋼筋混凝土柱的主要因素之一，限制框架柱的軸壓比主要是為了保證柱的塑性變形能力和保證框架的抗倒塌能力。針對軸壓比限值，新抗震規(guī)范比舊抗震規(guī)范減小了0． 05，并增加了四級框架柱的軸壓比限值如表2 所示。2 影響“強柱弱梁”實現(xiàn)的主要因素及新規(guī)范改進的原因分析
根據(jù)汶川地震建筑震害調(diào)查分析［3］，框架結(jié)構(gòu)未能實現(xiàn)“強柱弱梁”屈服機制的設(shè)計預(yù)期主要有以下幾方面原因。
2． 1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析加大了梁端彎矩［4］我國現(xiàn)行規(guī)范是采用線彈性方法計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力的，并在此基礎(chǔ)上進行混凝土構(gòu)件的承載能力設(shè)計。計算框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力時，按小震水準的地震作用，視結(jié)構(gòu)處于彈性階段，采用構(gòu)件尚未開裂的截面彈性剛度，并通過樓面梁剛度增大系數(shù)近似考慮樓板對梁剛度的貢獻，此系數(shù)可根據(jù)翼緣情況取1． 3 ～2． 0［5］。由此得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布與小震下結(jié)構(gòu)的實際情況是基本相符的。但“強柱弱梁”是在大震作用下所期望的框架結(jié)構(gòu)屈服機制，在大震作用下，結(jié)構(gòu)已經(jīng)進入彈塑性階，梁端受拉區(qū)混凝土開裂，T或Γ 形截面受拉翼緣已退出工作，樓板對框架梁的剛度貢獻也遭到破壞，梁的剛度比彈性階段時顯著的降低。由此可見，按線彈性方法計算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力不能反映大震作用下進入彈塑性階段的結(jié)構(gòu)實際情況，彈性計算方法加大了梁端負彎矩。另外，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析計算簡圖的計算跨度是按構(gòu)件軸線考慮的，梁端彎矩計算截面位于梁柱軸線交點處，即在柱截面軸線( 考慮剛域時，梁端彎矩計算截面應(yīng)位于柱截面范圍內(nèi)離柱邊hb /4 處) 。結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算沒有考慮柱截面寬度對構(gòu)件計算內(nèi)力的影響，而構(gòu)件抗力計算時采用的是梁端截面( 梁端塑性鉸是出現(xiàn)在梁端截面上而非柱的軸線上) 。顯然，這種計算模型也加大了梁端負彎矩。由于目前我國規(guī)范的彈性計算方法和計算模型都加大了梁端負彎矩，由此加大了梁端截面配筋，增加了“強柱弱梁”實現(xiàn)的難度。對于這個問題，新規(guī)范并沒有給出明確的處理方法。但抗震設(shè)計時結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量考慮結(jié)構(gòu)的塑性內(nèi)力重分布，采用柱邊緣截面處的梁端內(nèi)力設(shè)計值，減小框架梁端的設(shè)計彎矩，用于“強柱弱梁”的計算。2． 2 梁端實際抗彎承載力的“超強”［3，4，6，7］結(jié)構(gòu)實際的承載能力大于其設(shè)計承載能力，這
種現(xiàn)象稱為“超強”。由于梁端鋼筋超配、鋼筋屈服強度的超強以及現(xiàn)澆樓板內(nèi)板筋參與梁端抗彎承載力使得梁端實際抗彎承載力的“超強”非常嚴重，造成了“強柱弱梁”難于實現(xiàn)。實際工程中，梁端鋼筋超配的現(xiàn)象十分嚴重?？蚣芰号浣钣闪芽p或變形條件控制造成實際梁端配筋增多，跨中梁底鋼筋貫通導(dǎo)致梁端正彎矩鋼筋超配以及設(shè)計人員出于責任或意識，在選筋時偏于保柱端彎矩增大系數(shù)，對于一級框架結(jié)構(gòu)和9 度時的一級框架，明確只需按梁端實配抗震受彎承載力確定柱端彎矩設(shè)計值，而且計算梁端實配抗震受彎承載力時，還應(yīng)計入梁兩側(cè)有效翼緣范圍的樓板。2． 3 抗震構(gòu)造措施要求偏低梁柱截面尺寸是決定梁端和柱端實際抗彎承載力的主要因素，梁截面尺寸是根據(jù)梁跨度確定的，柱截面尺寸是根據(jù)柱軸壓比確定的。實際工程中，為了滿足建筑的需要，梁的跨度往往過大，又希望柱子盡可能的小，這樣使得梁的截面尺寸增大。柱的截面尺寸往往都是緊扣軸壓比的限值，而我國規(guī)范對軸壓比的限值規(guī)定過高，且規(guī)范對框架柱的最小截面尺寸規(guī)定過小，導(dǎo)致框架柱截面尺寸偏小。這種梁柱截面尺寸確定方法的不匹配，造成了梁端抗彎力臂偏大，柱端抗彎力臂偏小，致使柱端實際承載力
相對較小，梁端實際承載力相對較大，造成了“強柱弱梁”難于實現(xiàn)［3］。為此，新抗震規(guī)范針對軸壓比
的限值減小了0． 05，同時提高了框架柱的最小截面尺寸，比舊抗震規(guī)范增加100mm。
3 實例分析對比為了進一步研究新舊抗震規(guī)范對“強柱弱梁”的影響，本文通過典型的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型，分別按照新舊兩個規(guī)范采用廣廈結(jié)構(gòu)CAD13． 0 和15． 0 對其進行設(shè)計計算，得到梁、柱、樓板的配筋，考慮現(xiàn)澆樓板及其鋼筋對框架梁抗彎承載力的貢獻，分別計算新舊兩個規(guī)范下節(jié)點處柱梁端實際抗彎承載力比，并對其進行比較分析。
3． 1 數(shù)值模型和分析方法
本文設(shè)計了3 個3 層3 跨鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板框架結(jié)構(gòu)模型，層高均為3． 3m，跨度均為6m，結(jié)構(gòu)平面、計算簡圖如圖1、圖2 所示，板厚均為120mm?；炷翉姸鹊燃壘鶠镃30，梁柱縱向鋼筋為HRB335級，板和箍筋為HPB235 級。活荷載2． 0kN /m2 ，填充墻采用普通磚砌體，內(nèi)墻厚0. 12m，外墻厚0. 24m。其中模型1，柱截面700 mm × 700 mm，梁截面300mm × 650 mm; 模型2，柱截面500 mm ×500mm，梁截面300mm × 550mm; 模型3，柱截面400mm × 400mm，梁截面300mm × 550mm。設(shè)計地震分組為第二組，II 類場地。3 個模型的抗震設(shè)防烈度分別為9、8、7 度，其抗震等級分別
為一、二、三級。采用廣廈結(jié)構(gòu)CAD13． 0 和廣廈結(jié)構(gòu)CAD15． 0 分別對3 個模型進行計算設(shè)計，其中廣守人為地加大梁的配筋，而且為了施工方便節(jié)點梁端梁的負筋按照節(jié)點兩端最大值取相同，加大了鋼筋的負筋。再加上實際的鋼筋屈服強度可能比設(shè)計的鋼筋屈服強度高、鋼筋屈服后的應(yīng)變硬化指標較高，造成了梁端承載能力大于其設(shè)計承載能力。
另一方面，由于板與梁的共同作用，板內(nèi)上、下鋼筋參與梁的受力，提高了梁端的實際受彎承載力。文獻［8］表明，樓板內(nèi)的鋼筋會使框架梁端的實際抗彎承載力增大30%。舊抗震規(guī)范對框架梁翼緣現(xiàn)澆板內(nèi)與梁肋平行的鋼筋參與梁端負彎矩承載工作的問題未作出明確規(guī)定，設(shè)計人員在實際工程中，將梁端抗彎縱筋全部配置在梁矩形截面內(nèi)，同時樓
板仍按自身受力考慮另外在樓板中配筋，這樣設(shè)計的結(jié)果是，現(xiàn)澆板內(nèi)與梁肋平行的鋼筋就是超配鋼筋，這進一步導(dǎo)致了梁端實際抗彎承載力大于其設(shè)計抗彎承載力。為了實現(xiàn)“強柱弱梁”，國際上許多國家都是采用節(jié)點處柱端實際抗彎承載力大于梁端實際抗彎承載力的方法，而為了便于計算設(shè)計，我國規(guī)范除了一級框架結(jié)構(gòu)和9 度時的一級框架采用這種方法外，

其他情況在梁端實配鋼筋不超過計算配筋10% 的前提下，將梁、柱之間的承載力不等式轉(zhuǎn)為梁、柱的地震組合內(nèi)力設(shè)計值的關(guān)系式，并使不同抗震等級的柱端彎矩設(shè)計值有不同程度的差異。為了考慮梁端實際抗彎承載力的“超強”對“強柱弱梁”的影響，新抗震規(guī)范的修訂，提高了框架結(jié)構(gòu)中框架柱端彎矩增大系數(shù)，并補充了四級框架的廈結(jié)構(gòu)CAD13． 0 采用的是舊抗震規(guī)范，而廣廈結(jié)構(gòu)CAD15． 0 采用的是新抗震規(guī)范，而且部分地考慮了現(xiàn)澆樓板及其鋼筋對框架梁抗彎承載力的貢獻。

圖1 框架結(jié)構(gòu)平面圖
Fig． 1 Plan of the frame http://www.www926ya.com/

圖2 框架結(jié)構(gòu)計算簡圖
Fig． 2 Calculation diagram of frame
3． 2 計算結(jié)果分析根據(jù)兩個規(guī)范計算設(shè)計結(jié)果，得到梁、柱、樓板的配筋，按文獻［8］的建議，考慮梁每側(cè)6 倍板厚范
圍內(nèi)的板內(nèi)上、下鋼筋參與梁的受彎承載力，針對第2 軸線第1 層中間節(jié)點A( 如圖2 所示) ，分別計算
新舊兩個規(guī)范下節(jié)點處柱梁端實際抗彎承載力比
η，η 按下式計算:
η = ΣMcua
ΣMbua
( 3)
式中，ΣMcua、ΣMbua分別為節(jié)點處上下柱端截面實際抗彎承載力之和以及節(jié)點處左右梁端實際抗彎承載力之和，根據(jù)實配鋼筋面積( 梁端考慮梁每側(cè)6倍板厚范圍內(nèi)的板內(nèi)上、下鋼筋參與梁的抗彎承載力) 和材料強度標準值確定。根據(jù)計算設(shè)計結(jié)果，板頂鋼筋采用?10@ 100，板底鋼筋采用?10@ 150，節(jié)點A 處柱梁端實配鋼筋及其實際抗彎承載力比參見表3 所示。從實例分析結(jié)果可以看出，η 隨著抗震等級要求的降低而減小，按新規(guī)范設(shè)計的η 比按舊規(guī)范設(shè)計的η 增大。對于一級框架結(jié)構(gòu)，按舊規(guī)范設(shè)計η小于1，但很接近1，按新規(guī)范設(shè)計η 大于1． 2。其原因是一級框架結(jié)構(gòu)柱的配筋除了按式( 1) 采用增
大柱端彎矩設(shè)計值的方法外，還根據(jù)式( 2 ) 的梁端實配抗震受彎承載力確定柱端彎矩設(shè)計值，舊規(guī)范沒有考慮梁兩側(cè)樓板鋼筋參與梁的受彎承載力，而新規(guī)范考慮了梁兩側(cè)樓板鋼筋參與梁的受彎承載力; 對于二、三級框架結(jié)構(gòu)，即使按新規(guī)范設(shè)計，η 也小于1，特別是三級框架結(jié)構(gòu)，其η 遠小于1，遠達不到“強柱弱梁”的節(jié)點處柱端實際抗彎承載力大于梁端實際抗彎承載力的要求。其原因是，①二、三級框架結(jié)構(gòu)柱的配筋僅按式( 1) 采用增大柱端彎矩設(shè)計值的方法，而沒按式( 2) 的梁端實配抗震受彎承載力確定柱端彎矩設(shè)計值; ②板的配筋是根據(jù)豎向荷載及板的跨度計算的，柱的配筋主要取決于地震作用，對于抗震等級要求較低的框架結(jié)構(gòu)，梁兩側(cè)樓板鋼筋對于梁的受彎承載力的貢獻比較明顯; ( 3 )對于跨度較大、抗震等級較低的框架結(jié)構(gòu)，梁的截面尺寸往往較大，柱的截面尺寸往往較小，造成梁端實際承載力相對較大，柱端實際承載力相對較小。
4 結(jié)論
( 1) 針對舊抗震規(guī)范中關(guān)于“強柱弱梁”方面一些不合理的規(guī)定，新抗震規(guī)范加大了框架結(jié)構(gòu)柱的彎矩增大系數(shù)，增大了框架柱截面的最小尺寸以及減小了框架柱的軸壓比限值等，這在一定程度上有利于實現(xiàn)“強柱弱梁”。但其合理性還有待于工程
實踐的進一步檢驗。
( 2) 我國現(xiàn)行規(guī)范在內(nèi)力分析時，按小震水準的地震作用，采用構(gòu)件開裂前的彈性剛度，并通過梁剛度增大系數(shù)近似考慮樓板對梁剛度的貢獻，這不能反映大震作用下進入彈塑性階段的結(jié)構(gòu)實際情況，導(dǎo)致框架梁的計算彎矩大于屈服前的實際彎矩;同時按照構(gòu)件軸線確定的結(jié)構(gòu)計算簡圖也加大了梁端設(shè)計彎矩，這造成了梁端截面鋼筋的“超配”，增加了“強柱弱梁”實現(xiàn)的難度。因此，框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算分析方法和模型尚有待于進一步深入研究。
3) 鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板框架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)考慮框架梁兩側(cè)平行于梁的樓板內(nèi)上、下鋼筋對框架梁端抗彎承載力的貢獻。但對于參與梁端抗彎承載力的樓板有效翼緣寬度，以及參與工作的樓板內(nèi)上部鋼筋的有效錨固長度，目前我國有關(guān)規(guī)范尚未
作出明確規(guī)定，還有待于進一步完善。
( 4) 影響實現(xiàn)“強柱弱梁”的因素很多，也很復(fù)雜。對于抗震等級為二、三級框架結(jié)構(gòu)，僅按式( 1)采用增大柱端彎矩設(shè)計值的方法，難于實現(xiàn)“強柱弱梁”的節(jié)點處柱端實際抗彎承載力大于梁端實際抗彎承載力的要求，設(shè)計時應(yīng)按式( 2) 的梁端實配
抗震抗彎承載力確定柱端彎矩設(shè)計值。參考文獻( References) :［1］ GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］
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［作者簡介］ 蔡龍  公司網(wǎng)站 http://www.www926ya.com/