現澆樓板對RC框架結構“強柱弱梁”破壞機制的影響及措施

金煥,任俊

(1.廣東石油化工學院 建筑工程學院,廣東 茂名 525000;2.遼寧中大建設工程有限公司,遼寧 營口115007)

《建筑抗震設計規范》指出:“框架結構的變形能力與框架的破壞機制密切相關。試驗研究表明,梁先屈服,可使整個框架有較大的內力重分布和能量消耗能力,極限層間位移增大,抗震性能較好?！盵1]因此,規范規定罕遇地震作用下框架結構的理想屈服耗能機制是梁鉸機制,“強柱弱梁”是結構抗震設計的重要原則,我國規范通過梁柱線剛度比、柱端彎矩增大系數等構造措施來實現。然而,實際震害表明[2-4],由于地震的復雜性、鋼筋的超強、樓板及填充墻的參與作用等原因,“強柱弱梁”抗震機制難以實現。

根據相關試驗研究及數值模擬分析表明[5-9],RC框架結構出現“柱鉸”破壞機制的一個主要原因在于,在設計過程中,并未考慮由于現澆樓板的存在,使得與之相連的縱向梁實際抗彎能力“超強”。對于現澆樓板在框架梁抗彎承載力中的參與作用,到目前為止,在結構設計中并未考慮進來。因此,本文將在樓板對框架結構相關影響的研究現狀和我國規范規定的分析基礎上,對四層RC框架結構縮尺模型進行非線性有限元數值模擬,對比分析普通現澆樓板和樓板四角設縫對RC框架結構動力性能的影響,并提出避免現澆樓板的影響而保證實現“強柱弱梁”破壞機制的抗震措施。

1 現澆樓板的影響

1.1 研究現狀

樓板是影響結構水平荷載作用下受力性能的主要結構構件[10-12]。研究表明,在承受負彎矩的情況下,現澆梁板協同工作,板中鋼筋作為附加受拉鋼筋參與工作;在正彎矩作用下,板作為梁的翼緣構成T形截面梁,板作為受壓翼緣參與作用。在水平地震作用下,樓板會顯著提高梁的抗彎承載力,尤其當負彎矩作用下,梁柱的彎曲比降低,柱中容易出現塑性鉸,結構的破壞模式會由“強柱弱梁”破壞機制轉為“強梁弱柱”破壞機制[13-16]。由于樓板的貢獻,結構的層間抵抗力及抗側移剛度都會顯著提高,同時,節點的剛度、抗彎能力以及耗能能力也會受樓板的影響。

鑒于上述分析可見,在設計過程中,考慮樓板的作用寬度是十分必要的,所以需將樓板作為梁的翼緣進行設計。數據分析表明,現澆樓板的作用是非常復雜的,受很多參數的影響[7]。當框架結構平面內層間位移越大,樓板的貢獻越明顯。梁的抗扭剛度越大,樓板的有效翼緣寬度越大。同時,水平荷載的作用形式以及樓板邊緣的變形性能也會影響樓板的貢獻。目前,關于樓板翼緣的公式是以試驗為基礎的經驗公式,計算得出的值仍然帶有很大的近似性。一些學者從降低現澆樓板對框架梁貢獻的角度出發,提出了采用板角設縫的措施來調整框架結構的屈服機制[17,18],但該措施對結構抗震性能的影響分析尚不成熟,側重于結構的靜力分析和局部分析,有待進一步深入研究。

1.2 規范相關規定

實際工程中,通常采用現澆整體式框架結構形式,樓板與框架梁整澆,二者結合良好,共同工作受力,可顯著提高框架梁的抗彎剛度和抗彎承載力。當梁承受正彎矩時,樓板和框架梁構成T形截面,樓板作為翼緣增加了框架梁的受壓區寬度,進而增加梁端抗彎承載力和抗彎剛度。因此《混凝土結構設計規范》規定框架梁跨中正彎矩截面,樓板作為翼緣按照T形截面進行抗彎承載力計算,翼緣寬度規范也做了明確的規定。當梁承受負彎矩時,樓板中的鋼筋對框架梁端的負彎矩產生增強的作用,如圖1所示,框架梁端的負彎矩承載力會有明顯提高,然而規范對此沒有做出明確的規定。

圖1 梁端負彎矩配筋對比

我國《高層建筑混凝土結構技術規程》規定[16]:“在結構內力與位移計算中,現澆樓面和裝配整體式樓面中梁的剛度可考慮翼緣的作用予以增大。樓面梁剛度增大系數可根據翼緣情況取1.3～2.0。對于無現澆面層的裝配式結構,可不考慮樓面翼緣的作用?！痹诮Y構設計過程中,梁的剛度考慮了翼緣增大的影響。在水平荷載作用下,考慮樓面影響后,根據分析表明,隨著梁的剛度增大,盡管柱的抗側移剛度會增大,但是框架梁柱端的計算內力都會相應提高,配筋量都增大,這僅考慮了樓板剛度對框架結構內力的影響,與“強柱弱梁”的控制無直接關系。

我國抗震規范的條文說明中指出:“當計算梁端抗震承載力時,若計入樓板內的鋼筋,且材料強度標準值考慮一定的超強系數,則可提高框架結構‘強柱弱梁’的程度?！比欢?我國現行抗震設計規范并沒有對樓板的影響給出明確的設計及計算方法。

目前,國外一些規范明確提出樓板鋼筋對負彎矩承載力的增強作用,需考慮有效翼緣寬度范圍內的樓板與梁協同工作。例如,美國ACI 318-02規范中[19],梁端負彎矩承載力計算時對有效翼緣寬度做了詳細規定,計算得到的梁中受力鋼筋分別布置于梁肋內和現澆板翼緣內,并在此基礎上進一步考慮柱端彎矩增大系數,以達到“強柱弱梁”的設計目標。新西蘭規范則規定在確定梁中承受負彎矩的鋼筋時考慮了樓板對承載力的貢獻,將現澆板有效寬度范圍內的與梁肋平行的鋼筋作為負彎矩受拉鋼筋的組成部分[20]。

2 有限元數值分析

5.12汶川地震中,漩口中學教學綜合樓未產生設計預期的“強柱弱梁”破壞機制,倒塌非常嚴重。通過分析表明,現澆樓板對框架結構破壞機制的影響是不容忽視的,而我國現行規范尚未對現澆樓板對框架梁的貢獻作用進行量化,框架結構的設計相當于按照沒有樓板的空框架進行設計計算,只是在計算中考慮了樓板的荷載以及對框架梁剛度的貢獻。那么,忽視現澆樓板的貢獻,“強柱弱梁”破壞機制能否實現呢?本文基于倒塌的漩口中學教學綜合樓為原型,取出兩跨有代表性的單元,依據現行規范設計了兩個2×2跨、1/5縮尺的四層RC框架結構模型[17],一個模型樓板為普通現澆板,一個模型樓板四角設縫。采用DIANA非線性有限元分析軟件,對兩模型進行非線性數值模擬,研究現澆樓板及樓板四角設縫對框架結構破壞機制的影響。

2.1 有限元模型

有限元模型為三維實體模型,其中混凝土和縱向鋼筋進行分離式建模,混凝土采用8節點三維實體單元,縱向鋼筋采用埋入式BAR鋼筋單元。為了使模型簡化,梁柱中的箍筋和樓板中的鋼筋不獨立建模,將其作用等效到混凝土中。首先,通過Mander約束混凝土本構模型來考慮梁柱箍筋的作用,如圖2所示。其次,通過等效鋼筋混凝土本構模型來考慮樓板鋼筋的作用,如圖3所示。所建立的三維實體有限元模型的平面圖如圖4所示。

圖2 約束混凝土本構模型

2.2 有限元分析結果

選取El-Centro波和臥龍波作為輸入地震動,采用單向地震動輸入及三向地震動輸入,運用DIANA有限元分析軟件進行結構的非線性有限元動力時程分析。通過分析,得到了兩個模型的基本頻率,普通現澆樓板模型X向、Y向的一階頻率分別為8.13和5.06,板角設縫模型X向、Y向的一階頻率分別為7.65、4.94。同時,通過計算得到兩模型各個工況下的層間位移及層間位移角,如表1所示。當El-Centro波三向作用時,普通現澆樓板模型和板角設縫模型的首層層間位移分別為9.9 mm和11.1 mm,由表可見,在各個工況下,板角設縫模型首層層間位移角明顯大于普通現澆樓板模型。如圖5所示,圖中曲線A為普通樓板模型,B為板角設縫模型,通過兩模型各層層間位移對比可見,板角設縫模型的位移明顯大于普通現澆樓板模型的位移。由上述分析可見,板角設縫使樓板四角與梁柱斷開,梁板失去樓板的約束作用,降低了結構的整體剛度、自振頻率和阻尼比,增大了結構的水平側移,提高了框架結構的大震下抗倒塌能力。

表1 首層層間位移角

圖5 各層層間位移

通過非線性有限元分析,可得到兩模型梁柱端的鋼筋應力。選取最大的底層中心柱節點處梁柱端鋼筋應力峰值進行對比分析,如圖6所示,現澆樓板模型的柱端鋼筋應力明顯大于板角設縫模型,現澆樓板模型的柱端鋼筋應力明顯大于梁端鋼筋應力,柱端先出鉸,與震害破壞機制吻合;板角設縫模型的柱端鋼筋應力普遍小于梁端鋼筋應力,梁端先出鉸。因此,樓板四角設縫后,梁端鋼筋應力明顯增加,柱端鋼筋應力明顯降低,導致梁端鋼筋應力普遍大于柱端鋼筋應力。兩模型梁柱端鋼筋應力云圖如圖7所示,普通現澆樓板模型的鋼筋應力峰值點基本位于框架柱兩端,為“柱鉸”屈服機制。板角設縫模型的鋼筋應力峰值點多數位于框架梁端及框架柱底,為“混合鉸”屈服機制。所以,兩模型的屈服機制出現明顯變化。綜上,現澆樓板的存在導致框架結構很難實現“強柱弱梁”破壞機制,樓板四角設縫后,避免了樓板對框架梁端的貢獻,改變了框架結構的屈服機制,使結構易形成“梁鉸”機制,對實現“強柱弱梁”具有良好的效果。

圖6 梁柱端鋼筋峰值應力

圖7 框架梁柱鋼筋應力云圖(三向El-Centro波0.39g)

3 結論

本文采用DIANA軟件對兩個四層縮尺的RC框架結構模型進行了非線性有限元數值模擬,對比分析了普通現澆樓板模型和樓板四角設縫模型的動力性能。研究表明,現澆樓板對RC框架結構的破壞模式具有很大的影響,現澆樓板的作用導致RC框架結構很難能實現“強柱弱梁”破壞機制,如果將框架節點處樓板與梁柱設縫斷開,可以明顯提高結構的整體延性,并有效減少框架結構柱端的塑性鉸數量,使結構呈現出“強柱弱梁”破壞機制,提高結構的抗震性能。