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新旧建筑抗震加固设计对比和分析

新旧建筑抗震加固设计对比和分析

我国抗震规范采用“小震不坏,中震可修,大震不倒”的三水准抗震设防目标,针对现浇钢筋混凝土框架结构“大震不倒”的设防目标,现行规范提出了“强柱弱梁”的设计准则。所谓“强柱弱梁”是指节点处柱端实际抗弯承载力大于梁端实际抗弯承载力,目的是保证结构遭遇强震作用时,梁端先于柱端屈服,整个框架有较大的内力重分布和能量消耗能力,使结构获得良好的延性,避免结构发生整体倒塌。然而,汶川地震建筑震害调查发现,即使按我国《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2001) ( 简称旧抗震规范) 设计的框架结构,在罕遇地震作用下大多出现柱端塑性铰,甚至出现了“柱铰机制”,未能实

现“强柱弱梁”屈服机制的设计预期。为此,在总结近十年来的抗震科研新成果和地震经验教训的基础上,新《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010 ) ( 简称新抗震规范) 已于2010 年12 月1 日实施了。新抗震规范是在旧抗震规范的基础上修订而成的,本文主要针对新旧抗震规范关于“强柱弱梁”方面进行了比较详细的对比和分析。1 新抗震规范关于“强柱弱梁”的主要改进
1. 1 弯矩调整系数为了便于设计计算,我国规范采用增大柱端弯矩设计值的方法实现“强柱弱梁”,推迟框架柱塑性铰的出现时间。旧抗震规范6. 2. 2 条规定[1],一级、二级、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下式要求:
ΣMc = ηcΣMb
( 1)
一级框架结构及9 度时尚应符合下式要求:
ΣMc = 1. 2ΣMbua
( 2)
而新抗震规范[2]针对这条做了两处改进: ①提高了框架结构中框架柱端弯矩增大系数,并补充了四级框架的柱端弯矩增大系数如表1; ②明确了对于一级框架结构和9 度时的一级框架,可不符合式( 1) ,只需符合式( 2) 按梁端实配抗震受弯承载力确定柱端弯矩设计值。即使按增大系数的方法比实配方法保守,也可不采用增大系数方法。对于二、三级框架结构,也可按式( 2) 的梁端实配抗震受弯承载力确定柱端弯矩设计值,但式中的系数1. 2 可适当降低,如取1. 1 即可; 这样有可能比按内力增大系数即式
( 1) 调整的方法更经济、合理。计算梁端实配抗震受弯承载力时,还应计入梁两侧有效翼缘范围的楼板。因此,在框架刚度和承载力计算时,所计入的梁两侧有效翼缘范围应相互协调。
表1 框架结构柱端弯矩调整系数变化对比
Table 1 Comparison of moment magnifying
coefficients at column ends of frames
规范版本
抗震等级
一二三四
旧规范1. 4 1. 2 1. 1 1. 0
新规范1. 7 1. 5 1. 3 1. 2
表2 框架结构柱轴压比限值对比
Table 2 Comparison of the limited value of
axial compression ratios of frame column
规范版本
抗震等级
一二三四
旧规范0. 7 0. 8 0. 9
新规范0. 65 0. 75 0. 85 0. 9
1. 2 抗震构造措施针对柱截面最小尺寸,旧抗震规范6. 3. 6 条规定[1],截面的宽度和高度均不宜小于300mm; 圆柱
直径不宜小于350mm; 新抗震规范6. 3. 5 条规定[2],截面的宽度和高度,四级或不超过2 层时不宜小于300mm,一、二、三级且层数超过2 层时不宜小于400mm; 圆柱的直径,四级或不超过2 层时不宜小于350mm,一、二、三级且层数超过2 层时不宜小于450mm。新抗震规范,根据汶川地震的经验,对一、二、三级且层数超过2 层的房屋的框架柱最小截
面尺寸,比旧抗震规范增加100mm,以便有利于实现“强柱弱梁”。轴压比是影响钢筋混凝土柱的主要因素之一,限制框架柱的轴压比主要是为了保证柱的塑性变形能力和保证框架的抗倒塌能力。针对轴压比限值,新抗震规范比旧抗震规范减小了0. 05,并增加了四级框架柱的轴压比限值如表2 所示。2 影响“强柱弱梁”实现的主要因素及新规范改进的原因分析
根据汶川地震建筑震害调查分析[3],框架结构未能实现“强柱弱梁”屈服机制的设计预期主要有以下几方面原因。
2. 1 结构内力分析加大了梁端弯矩[4]我国现行规范是采用线弹性方法计算结构内力的,并在此基础上进行混凝土构件的承载能力设计。计算框架结构内力时,按小震水准的地震作用,视结构处于弹性阶段,采用构件尚未开裂的截面弹性刚度,并通过楼面梁刚度增大系数近似考虑楼板对梁刚度的贡献,此系数可根据翼缘情况取1. 3 ~2. 0[5]。由此得到的结构内力分布与小震下结构的实际情况是基本相符的。但“强柱弱梁”是在大震作用下所期望的框架结构屈服机制,在大震作用下,结构已经进入弹塑性阶,梁端受拉区混凝土开裂,T或Γ 形截面受拉翼缘已退出工作,楼板对框架梁的刚度贡献也遭到破坏,梁的刚度比弹性阶段时显著的降低。由此可见,按线弹性方法计算的结构内力不能反映大震作用下进入弹塑性阶段的结构实际情况,弹性计算方法加大了梁端负弯矩。另外,结构内力分析计算简图的计算跨度是按构件轴线考虑的,梁端弯矩计算截面位于梁柱轴线交点处,即在柱截面轴线( 考虑刚域时,梁端弯矩计算截面应位于柱截面范围内离柱边hb /4 处) 。结构内力计算没有考虑柱截面宽度对构件计算内力的影响,而构件抗力计算时采用的是梁端截面( 梁端塑性铰是出现在梁端截面上而非柱的轴线上) 。显然,这种计算模型也加大了梁端负弯矩。由于目前我国规范的弹性计算方法和计算模型都加大了梁端负弯矩,由此加大了梁端截面配筋,增加了“强柱弱梁”实现的难度。对于这个问题,新规范并没有给出明确的处理方法。但抗震设计时结构应尽量考虑结构的塑性内力重分布,采用柱边缘截面处的梁端内力设计值,减小框架梁端的设计弯矩,用于“强柱弱梁”的计算。2. 2 梁端实际抗弯承载力的“超强”[3,4,6,7]结构实际的承载能力大于其设计承载能力,这
种现象称为“超强”。由于梁端钢筋超配、钢筋屈服强度的超强以及现浇楼板内板筋参与梁端抗弯承载力使得梁端实际抗弯承载力的“超强”非常严重,造成了“强柱弱梁”难于实现。实际工程中,梁端钢筋超配的现象十分严重。框架梁配筋由裂缝或变形条件控制造成实际梁端配筋增多,跨中梁底钢筋贯通导致梁端正弯矩钢筋超配以及设计人员出于责任或意识,在选筋时偏于保柱端弯矩增大系数,对于一级框架结构和9 度时的一级框架,明确只需按梁端实配抗震受弯承载力确定柱端弯矩设计值,而且计算梁端实配抗震受弯承载力时,还应计入梁两侧有效翼缘范围的楼板。2. 3 抗震构造措施要求偏低梁柱截面尺寸是决定梁端和柱端实际抗弯承载力的主要因素,梁截面尺寸是根据梁跨度确定的,柱截面尺寸是根据柱轴压比确定的。实际工程中,为了满足建筑的需要,梁的跨度往往过大,又希望柱子尽可能的小,这样使得梁的截面尺寸增大。柱的截面尺寸往往都是紧扣轴压比的限值,而我国规范对轴压比的限值规定过高,且规范对框架柱的最小截面尺寸规定过小,导致框架柱截面尺寸偏小。这种梁柱截面尺寸确定方法的不匹配,造成了梁端抗弯力臂偏大,柱端抗弯力臂偏小,致使柱端实际承载力
相对较小,梁端实际承载力相对较大,造成了“强柱弱梁”难于实现[3]。为此,新抗震规范针对轴压比
的限值减小了0. 05,同时提高了框架柱的最小截面尺寸,比旧抗震规范增加100mm。
3 实例分析对比为了进一步研究新旧抗震规范对“强柱弱梁”的影响,本文通过典型的钢筋混凝土框架结构模型,分别按照新旧两个规范采用广厦结构CAD13. 0 和15. 0 对其进行设计计算,得到梁、柱、楼板的配筋,考虑现浇楼板及其钢筋对框架梁抗弯承载力的贡献,分别计算新旧两个规范下节点处柱梁端实际抗弯承载力比,并对其进行比较分析。
3. 1 数值模型和分析方法
本文设计了3 个3 层3 跨钢筋混凝土现浇楼板框架结构模型,层高均为3. 3m,跨度均为6m,结构平面、计算简图如图1、图2 所示,板厚均为120mm。混凝土强度等级均为C30,梁柱纵向钢筋为HRB335级,板和箍筋为HPB235 级。活荷载2. 0kN /m2 ,填充墙采用普通砖砌体,内墙厚0. 12m,外墙厚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。设计地震分组为第二组,II 类场地。3 个模型的抗震设防烈度分别为9、8、7 度,其抗震等级分别
为一、二、三级。采用广厦结构CAD13. 0 和广厦结构CAD15. 0 分别对3 个模型进行计算设计,其中广守人为地加大梁的配筋,而且为了施工方便节点梁端梁的负筋按照节点两端最大值取相同,加大了钢筋的负筋。再加上实际的钢筋屈服强度可能比设计的钢筋屈服强度高、钢筋屈服后的应变硬化指标较高,造成了梁端承载能力大于其设计承载能力。
另一方面,由于板与梁的共同作用,板内上、下钢筋参与梁的受力,提高了梁端的实际受弯承载力。文献[8]表明,楼板内的钢筋会使框架梁端的实际抗弯承载力增大30%。旧抗震规范对框架梁翼缘现浇板内与梁肋平行的钢筋参与梁端负弯矩承载工作的问题未作出明确规定,设计人员在实际工程中,将梁端抗弯纵筋全部配置在梁矩形截面内,同时楼
板仍按自身受力考虑另外在楼板中配筋,这样设计的结果是,现浇板内与梁肋平行的钢筋就是超配钢筋,这进一步导致了梁端实际抗弯承载力大于其设计抗弯承载力。为了实现“强柱弱梁”,国际上许多国家都是采用节点处柱端实际抗弯承载力大于梁端实际抗弯承载力的方法,而为了便于计算设计,我国规范除了一级框架结构和9 度时的一级框架采用这种方法外,

其他情况在梁端实配钢筋不超过计算配筋10% 的前提下,将梁、柱之间的承载力不等式转为梁、柱的地震组合内力设计值的关系式,并使不同抗震等级的柱端弯矩设计值有不同程度的差异。为了考虑梁端实际抗弯承载力的“超强”对“强柱弱梁”的影响,新抗震规范的修订,提高了框架结构中框架柱端弯矩增大系数,并补充了四级框架的厦结构CAD13. 0 采用的是旧抗震规范,而广厦结构CAD15. 0 采用的是新抗震规范,而且部分地考虑了现浇楼板及其钢筋对框架梁抗弯承载力的贡献。

图1 框架结构平面图
Fig. 1 Plan of the frame http://www.shjgu.com/

图2 框架结构计算简图
Fig. 2 Calculation diagram of frame
3. 2 计算结果分析根据两个规范计算设计结果,得到梁、柱、楼板的配筋,按文献[8]的建议,考虑梁每侧6 倍板厚范
围内的板内上、下钢筋参与梁的受弯承载力,针对第2 轴线第1 层中间节点A( 如图2 所示) ,分别计算
新旧两个规范下节点处柱梁端实际抗弯承载力比
η,η 按下式计算:
η = ΣMcua
ΣMbua
( 3)
式中,ΣMcua、ΣMbua分别为节点处上下柱端截面实际抗弯承载力之和以及节点处左右梁端实际抗弯承载力之和,根据实配钢筋面积( 梁端考虑梁每侧6倍板厚范围内的板内上、下钢筋参与梁的抗弯承载力) 和材料强度标准值确定。根据计算设计结果,板顶钢筋采用?10@ 100,板底钢筋采用?10@ 150,节点A 处柱梁端实配钢筋及其实际抗弯承载力比参见表3 所示。从实例分析结果可以看出,η 随着抗震等级要求的降低而减小,按新规范设计的η 比按旧规范设计的η 增大。对于一级框架结构,按旧规范设计η小于1,但很接近1,按新规范设计η 大于1. 2。其原因是一级框架结构柱的配筋除了按式( 1) 采用增
大柱端弯矩设计值的方法外,还根据式( 2 ) 的梁端实配抗震受弯承载力确定柱端弯矩设计值,旧规范没有考虑梁两侧楼板钢筋参与梁的受弯承载力,而新规范考虑了梁两侧楼板钢筋参与梁的受弯承载力; 对于二、三级框架结构,即使按新规范设计,η 也小于1,特别是三级框架结构,其η 远小于1,远达不到“强柱弱梁”的节点处柱端实际抗弯承载力大于梁端实际抗弯承载力的要求。其原因是,①二、三级框架结构柱的配筋仅按式( 1) 采用增大柱端弯矩设计值的方法,而没按式( 2) 的梁端实配抗震受弯承载力确定柱端弯矩设计值; ②板的配筋是根据竖向荷载及板的跨度计算的,柱的配筋主要取决于地震作用,对于抗震等级要求较低的框架结构,梁两侧楼板钢筋对于梁的受弯承载力的贡献比较明显; ( 3 )对于跨度较大、抗震等级较低的框架结构,梁的截面尺寸往往较大,柱的截面尺寸往往较小,造成梁端实际承载力相对较大,柱端实际承载力相对较小。
4 结论
( 1) 针对旧抗震规范中关于“强柱弱梁”方面一些不合理的规定,新抗震规范加大了框架结构柱的弯矩增大系数,增大了框架柱截面的最小尺寸以及减小了框架柱的轴压比限值等,这在一定程度上有利于实现“强柱弱梁”。但其合理性还有待于工程
实践的进一步检验。
( 2) 我国现行规范在内力分析时,按小震水准的地震作用,采用构件开裂前的弹性刚度,并通过梁刚度增大系数近似考虑楼板对梁刚度的贡献,这不能反映大震作用下进入弹塑性阶段的结构实际情况,导致框架梁的计算弯矩大于屈服前的实际弯矩;同时按照构件轴线确定的结构计算简图也加大了梁端设计弯矩,这造成了梁端截面钢筋的“超配”,增加了“强柱弱梁”实现的难度。因此,框架结构内力计算分析方法和模型尚有待于进一步深入研究。
3) 钢筋混凝土现浇楼板框架结构设计时,应考虑框架梁两侧平行于梁的楼板内上、下钢筋对框架梁端抗弯承载力的贡献。但对于参与梁端抗弯承载力的楼板有效翼缘宽度,以及参与工作的楼板内上部钢筋的有效锚固长度,目前我国有关规范尚未
作出明确规定,还有待于进一步完善。
( 4) 影响实现“强柱弱梁”的因素很多,也很复杂。对于抗震等级为二、三级框架结构,仅按式( 1)采用增大柱端弯矩设计值的方法,难于实现“强柱弱梁”的节点处柱端实际抗弯承载力大于梁端实际抗弯承载力的要求,设计时应按式( 2) 的梁端实配
抗震抗弯承载力确定柱端弯矩设计值。参考文献( References) :[1] GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S]
GB 50011-2001,Code for Seismic Design of Buildings[S]( in Chinese)[2] GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S]GB 50011-2001,Code for Seismic Design of Buildings[S]( in Chinese)
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[作者简介] 蔡龙  公司网站 http://www.shjgu.com/

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