PKPM 结构设计主筋配筋的建议

谭振军 袁建伟 彭翰旋

从事结构设计的人员仅仅掌握了书本中学到的基础专业知识是远远不够的。在实际设计工作中,设计人员还需要一个不断学习和积累的过程,其中既包括知识,也包括经验。同时还应该把自己在工作中学到和总结到的知识、经验拿出来与同行分享,共同进步。笔者就在钢筋混凝土框架结构设计工作中将主筋配筋误区总结出来,不当之处还望指正。在我们设计过程中,有些设计人员框架梁端、柱端纵向钢筋的配置普遍比较随意,其配筋量比计算值大20%,甚至更多,这个问题普遍存在;同时也有人认为,增大配筋量就是提高了结构的安全度,是强度储备。笔者认为先不管经济影响,这个观点是完全错误的。增大配筋量不一定能提高结构的安全度,相反可能是有害的。

1 误区分析

采取放大钢筋做法主要是考虑以下产生任意加大配筋量的原因,这里可能存在一个误区,那就是把竖向荷载作用下产生的弯矩和地震作用下产生的弯矩没有完全区分开来,而是将它们混淆在一起。因此强度储备的概念自然就在我们设计人员中体现出来,配筋时则出现宜大不宜小的情况。另外就是构件截面设计不尽合理,裂缝计算加大了配筋量。

实际上对于框架结构,或是框架—剪力墙结构(至少要承担20%的地震力)[1],梁端负弯矩都是受地震力控制的。尤其是平面活荷载较小的建筑(如住宅、办公楼等),地震作用下产生的弯矩可能比竖向荷载作用下产生的弯矩大很多,柱端弯矩更是受地震弯矩控制。对于柱脚,在竖向荷载作用下基本上都是构造配筋。也就是说,在正常使用下,梁、柱的配筋都是足足有余的[2]。

从表1可看出,我国一级抗震等级的抗震要求已接近延性要求较严的欧洲规范的高延性等级DC“H”的要求[3]。

表1 中、欧两国柱—梁承载力级差系数对比表

说明我们应该考虑经济因素,一级抗震没有必要再提高抗震等级。

2 设计实例

图1～图5是一栋 2层办公楼,地处昆明市东川区,场地类别为二类场地,9度地震作用下的弯矩、配筋包络图。从图1～图5中我们可以清楚地看出:梁端负弯矩完全受地震力控制,1层受地震力影响最大,2层负弯矩不足1层负弯矩1/2。而且可以想象随着建筑层数的增加,地震作用加大,受地震作用的梁、柱配筋也将增加很多。所以,大家尽可放心,只要不是使用荷载比设计荷载超出太多,或材料强度相差太大,或施工出现质量事故,在正常情况下,不论是正弯矩还是负弯矩梁都是不可能出现破坏的。因此,受地震作用控制的梁端负筋和柱子的纵向钢筋也就完全没有必要增大配筋量,多用的钢筋纯粹是浪费。

由于篇幅所限,包络图和配筋图只取一半。

结构构件在地震作用下,它的受力有一个最大的特点,那就是在强地震作用下,结构构件不存在强度储备,结构构件所受到的弯矩就是破坏弯矩。也就是说,在罕遇地震作用下,不论结构构件的承载力是大是小,它所受到的地震弯矩都是破坏弯矩。增大纵向钢筋的配筋量,其结果并不能延迟结构倒塌的时间,而只是加大结构构件地震力作用。另一方面,有人会说,增大了纵向钢筋的配筋量,会增大结构的抗震能力,如果配筋足够的话在罕遇地震作用下,就不一定会产生大的破坏;或者说,在刚好7度地震作用下,不加大配筋量的结构可能产生一些破坏,加大配筋量的结构就不一定会产生这些破坏了,这种说法是完全错误的。一栋建筑,地震作用的大小不仅仅取决于地震烈度,同时也取决于结构本身刚度。相同地震烈度作用下,结构刚度越大,地震作用也越大。在结构计算中,钢筋对结构刚度的影响,我们是没有考虑的,但它是存在的。当然,纵向钢筋增大了,抗弯承载力肯定提高了;然而由于结构刚度增大而使剪力增大,就是提高了结构的抗震设防烈度。本来是7度设防变成了7.5度,甚至8度。我们没有任何理由去提高结构的抗震设防烈度,这是浪费。

按新的GB 50011-2001(08版)建筑抗震设计规范要求,结构体系宜有多道抗震防线。对框架结构整体而言,在大震作用下节点梁端出现一定数量的塑性铰可认为是结构内部的第一道防线。由于塑性铰首先出现于梁中结构并没有形成破坏机构,而仍能承受外荷载,随着外荷载的逐渐增加,当柱中先后出现一定数量的塑性铰后而形成破坏机构,从而认为结构失效[4]。可见这种任意增大梁柱钢筋不利于结构在破坏前吸收和耗散较多的地震能量。

3 结语

笔者认为:1)归并系数宜取不大于0.1,这样可确保超配筋不大于10%,从而满足规范的要求。当然,这样会增加构件的种类,增加我们的工作量。但是,可以降低钢筋的用量和提高结构在地震作用下的变形能力,使我们的设计更加完美,这才是我们应该追求的。2)尽量不要任意把2根钢筋更改为3根钢筋,以免无意中加大钢筋,因为钢筋都具有一定的保证率。3)还应当尽力避免因截面选用偏小使构件由于挠度、裂缝的原因而增大配筋量。如果一旦出现因裂缝计算增加配筋量,对一级框架则必须按照规范进行实际配筋验算,二级框架建议按规范实际配筋验算。4)严格控制柱的轴压比、合理的梁柱截面,注重节点设计,这样可以降低配筋率。

总之,只有熟练掌握规范,并在工程实践中不断总结、积累,才能使框架结构设计更加合理,配筋适宜,满足“技术先进、经济合理、安全适用、确保质量”的要求。

[1] GB 50011-2001(08版),建筑抗震设计规范[S].

[2] 杨 宏,周诗齐.关于框架梁、柱端纵向钢筋配置的一点看法[J].四川建筑,2007,27(9):41-42.

[3] 刘小映,李凤武,范云蕾.我国混凝土结构“强柱弱梁”抗震措施合理性分析[J].福建建设科技,2007(4):19.

[4] 何祥英,王树和.框架结构柱端弯矩增大系数有效性分析[J].山西建筑,2007,33(7):96-97.