楼板对钢筋砼异形柱框架破坏机制的影响分析

杨 溥,唐 静

(1.重庆大学a.土木工程学院;b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室,重庆 400045;2.重庆中煤国际工程集团重庆设计研究院,重庆400016)

“强柱弱梁”屈服破坏机制是钢筋混凝土框架结构抗震设计所希望的,然而在“5.12”汶川地震中框架结构却极少见到框架梁端出铰,而是大量出现柱端塑性铰,甚至有很多框架是严格按2001版抗震规范设计的,这一震害现象引起了抗震规范编制组和工程界的高度重视,纷纷对钢筋混凝土框架结构这种典型震害现象及其产生原因进行了总结与分析。在对汶川地震震害调查和分析的基础上,叶列平等[1]重点针对本次地震中框架结构未出现抗震设计所预期的“强柱弱梁”屈服机制的现象,分析了出现这种震害现象的主要原因有：1)非结构构件的影响;2)楼板对框架梁的承载力和刚度增大的影响;3)框架梁跨度和荷载过大,使梁截面尺寸增大,梁端抗弯承载力增大;4)梁端超配筋和钢筋实际强度超强;5)柱轴压比限值规定偏高,柱截面尺寸偏小;6)柱最小配筋率和最小配箍率偏小;7)大震下结构受力状态与结构弹性受力状态存在差异;8)梁柱可靠度的差异。并提出了有关建议,为今后框架结构设计实现“强柱弱梁”屈服机制和规范修订提供了参考。王亚勇[2]建议：设计时有必要加大柱子断面和配筋,把一定宽度楼板的配筋作为梁的配筋,从而适当减小梁的截面尺寸和配筋。霍林生[4]认为,楼板空间作用和楼板分布钢筋的作用,以及实际设计中梁配筋经常存在超配的情况,导致框架梁端截面的实际抗弯承载力大于不考虑楼板作用时的抗弯承载力。并建议进一步深入研究能够实现框架结构“强柱弱梁”机制的设计方法和构造措施,在实际工程抗震设计中应全面考虑这些影响因素,研究实现“强柱弱梁”的可行设计方法。总之,关于现浇楼板对“强柱弱梁”屈服机制的影响达成共识,即一致认为,造成这种破坏形式的一个主要原因在于结构抗震设计中忽略了框架梁端现浇楼板对其抗弯承载力的增强作用,现浇楼板及其钢筋的存在改变了梁柱刚度和强度比,即改变了梁柱达到屈服状态和先后顺序,从而消弱了抗震设计期望的“强柱弱梁”破坏模式的出现概率。对于楼板的有效宽度问题,郑士举[8]通过10个现浇混凝土框架节点的拟静力试验和有限元分析,认为现浇楼板可大幅提高梁端截面的抗弯承载力,对于弱节点尤为显著,影响梁端截面有效翼缘宽度的主要因素有层间位移角、节点形式、梁高、梁跨、板面钢筋材性等;并得到当层间位移角为1/50时,地震作用参与组合时的梁端截面有效翼缘宽度取值公式。吴勇等对[10]按现行抗震设计规范设计的框架进行计算分析后认为,罕遇地震作用下框架最大层间位移角一般不大于1.5%,同时借鉴其他已有研究结果,建议取梁每侧6倍板厚范围作为板的有效宽度。美国ACI318规范[17]明确指出,现浇楼板对梁的负弯矩承载力有较大提高,验算框架柱梁抗弯承载力比时,梁端承载力特别是负弯矩承载力须考虑有效翼缘宽度范围内的楼板与梁协同工作,并对各种节点中有效翼缘宽度作了细致规定(一般取梁每侧6倍板厚范围内的楼板)。

已有研究主要针对矩形柱钢筋混凝土框架结构,而钢筋混凝土异形柱框架结构由于强震区鲜有建造,因此其受力特性和破坏形态也未在大震中得到检验,且目前相关研究较少,其屈服机制到底如何、能否实现“强柱弱梁”的梁铰屈服机制,仍是困扰广大工程设计和科研工作者的难题之一。因此,有必要对钢筋混凝土异形柱框架结构中楼板作用对结构屈服机制的影响规律进行深入研究。该文采用基于有限单元柔度法的纤维模型梁柱单元,对严格按现行异形柱结构设计规程所设计的结构进行了单向水平地震作用下的三维非线性地震反应分析,对考虑楼板作用的异形柱框架结构和忽略楼板作用的异形柱框架结构在罕遇地震水准下的整体结构抗震性能和塑性铰机制的差异进行对比分析。

1 结构算例概况

依照《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ 149-2006)[11]设计了2栋拟建于Ⅱ类建筑场地、设计地震分组为第一组的钢筋混凝土异形柱框架结构(结构平面布置见图1),结构主要参数见表1。混凝土等级为C30,结构内力计算与结构配筋分别按SATWE和异形柱规程编制组开发的CRSC进行,并按规程的要求复核其最小配筋率、轴压比以及结构在多遇地震作用下的最大水平弹性层间位移角。结构楼板均采用120 mm厚现浇混凝土板,结构楼面板跨中配筋为双向 φ10@180,支座配筋为双向φ10@100;屋面板跨中配筋为双向φ10@150,支座配筋为双向 φ10@100。

图1 异形柱框架结构平面布置图

表1 结构主要参数

混凝土异形柱截面尺寸和配筋方式示意图见图2、图3,具体配筋见表2,其中表中纵筋采用HRB335,“D”表示纵筋的直径,箍筋采用 HPB235,角柱和边柱箍筋为φ8@100,而中柱为φ10@100。

图2 结构a异形柱截面尺寸和配筋方式示意图

图3 结构b异形柱截面尺寸和配筋方式示意图

表2 异形柱的细部配筋

2 非线性动力反应分析

该文采用基于有限单元柔度法的纤维模型的梁柱单元编制的非线性动力分析程序。其分析效率和分析精度已在异形柱构件层次和结构层次上得到了验证[12]。由于结构平面布置规则,质量和刚度分布均匀,因此在非线性动力分析时,仅沿Y轴方向输入水平地震动。在考虑现浇楼板对梁端抗弯承载力和刚度的贡献时,根据文献[8-10、17]的建议,边梁有效翼缘宽度取梁宽+6倍板厚,中梁有效翼缘宽度取梁宽+12倍板厚(如图4所示)。

图4 考虑楼板作用时梁截面图

2.1 地震动的选取与输入

按照设计反应谱平台段和结构基本周期双频段选波方法[13],结构a选取了3条天然地震波分别为USA 02152 、USA 02545 、USA 02755,人 造地震波为ACC1;结构b选取了 3条天然地震波分别为USA 00535 、USA 00707、USA 02551,人造地震波为ACC2。其中人造地震波采用ARMA方法生成,考虑了地震波频率非平稳特性,所选的地震波均能较好地拟合规范设计反应谱。采用SAP2000对结构进行了振型分解反应谱分析和小震下弹性动力时程分析。计算结果表明,选取的地震波能很好地满足抗震设计规范关于结构底部剪力的要求。

2.2 本构关系及屈服准则

钢筋本构模型采用最初由Menegotto和Pinto所建议后经Filippou等人修正以考虑等向应变硬化影响的本构模型,混凝土本构模型采用修正的Kent-Park模型[6],该模型不考虑钢筋的粘结滑移,但考虑箍筋对核心区砼的横向约束作用。对于梁,根据梁内纵向受力钢筋是否屈服来对梁截面的屈服进行判断。对于异形柱,通常处在双向压弯的受力状态,其正截面屈服承载力一般需用一个三维(N-Mx-M y)的封闭曲面来表示,其中 N为柱轴力,M x和M y分别为X轴和Y轴方向的弯矩。通过对比在整个时程中柱最大、最小轴力出现的时刻以及在仅考虑竖向重力荷载作用下的柱截面M x-M y屈服承载力包络线,发现同层各截面形式柱的Mx-My图形状相似,且所包含的面积大致相当。这表明,若选取结构在仅考虑竖向重力荷载作用的同层各截面类型的M x-M y屈服承载力包络线作为该层柱正截面承载力屈服判断的承载力包络线具有足够高的精度。图5为柱截面屈服线图(以在地震波USA 02755输入下7度区结构底层柱为例)。

图5 柱截面屈服判断示意图

2.3 结构a罕遇地震下非线性反应分析

在罕遇地震(峰值加速度为310 cm/s2)输入下,异形柱框架结构a的最大层间位移角见表3和图6。从图中可以看出,忽略楼板作用的异形柱框架结构和考虑这种作用的2种情况下,结构最大层间位移角均出现在第2层,说明结构第2层是结构的薄弱楼层;考虑楼板作用时,结构的最大层间位移角比忽略这种作用时的小。

表3 结构a的最大层间位移角

图6 结构a最大层间位移角分布图

图7和图8分别给出了结构a在罕遇地震输入下轴线A和轴线B框架在整个时程中出现的塑性铰分布和塑性转动角示意图(其中塑性转动角单位为弧度)。

图7 结构a大震作用下的塑性铰分布和塑性转动角示意图(轴线A)

图8 结构a大震作用下的塑性铰分布和塑性转动角示意图(轴线B)

从图7和图8中可以看出,在罕遇地震作用下,对比结构a考虑楼板作用和忽略楼板作用2种情况下梁柱铰分布、数量、出铰部位等地震响应结果,可得到以下结论：

考虑楼板作用后,梁铰数量减少,而柱铰数量明显增加,梁的的塑性铰转角减小而柱的塑性铰转角相应增大,甚至出现少数柱上下端均出铰的情况,这对罕遇地震下的抗震设防目标的实现是十分不利的。究其原因,在于框架梁翼缘板内钢筋使框架梁的负弯矩承载力明显增大。

根据作者的验算结果,某些梁上部钢筋折算面积较不考虑楼板板筋时增加一倍,于是出现了目前众多研究者尚未关注的现象,不考虑楼板作用时,框架梁出现的塑性铰均是由于梁端上部钢筋屈服引起,但是当考虑楼板的影响时,虽然框架梁出现了塑性铰,即使在在罕遇地震作用下梁端上部钢筋仍然没有屈服,而是梁端下部钢筋屈服产生塑性铰。表4给出了整个时程中梁截面上钢筋的最大受拉应变值(仅列出 USA 02152输入时 B轴线梁钢筋应变值),考虑楼板作用后结构梁截面上部钢筋纤维受拉最大应变值离屈服应变值0.001 94仍有很大的距离。这也使得有板结构的梁截面相对无板结构更难屈服,从而异形柱会发生更大的变形,对异形柱截面的延性需求提高。

表4 结构a框架梁截面受拉钢筋纤维最大应变

另外,从塑性铰出现的部位变化来看,考虑楼板作用后边柱更易出铰,在该类柱抗震设计时应引起足够重视。在破坏机制上来看,7度区忽略楼板作用的结构表现为梁铰为主,7度区考虑楼板作用的结构则表现为柱铰为主。

2.4 结构b罕遇地震下非线性反应分析

在罕遇地震(峰值加速度为400 cm/s2)输入下,异形柱框架结构b的最大层间位移角见表5和图9。从图中可以看出,忽略楼板作用的异形柱框架结构和考虑这种作用的2种情况下,结构最大层间位移角均出现在第2层,说明结构第2层是结构的薄弱楼层;考虑楼板作用时,结构的最大层间位移角比忽略这种作用时的小。

表5 结构b的最大层间位移角

图9 结构b最大层间位移角分布图

图10和图11分别给出了结构b在罕遇地震输 入下轴线A和轴线B框架在整个时程中出现的塑性铰分布和塑性转动角示意图(其中塑性转动角单 位为弧度)。

图11 结构b大震作用下的塑性铰分布和塑性转动角示意图(轴线B)

从图10和图11中可以看出,在罕遇地震作用下,对比结构b考虑楼板作用和忽略楼板作用2种情况下梁柱铰分布、数量、出铰部位等等地震响应结果,可得到以下结论：

考虑楼板作用后,梁铰数量减少,而柱铰数量明显增加,梁的的塑性铰转角减小而柱的塑性铰转角相应增大,甚至出现结构第2层全部柱上下端均出铰的情况,这对罕遇地震下的抗震设防目标的实现是十分不利的。究其原因,在于框架梁翼缘板内钢筋使框架梁的负弯矩承载力明显增大。与结构a类似的现象是,不考虑楼板作用时,框架梁出现的塑性铰均是梁端上部钢筋屈服引起,但是当考虑楼板的影响时,虽然框架梁出现了塑性铰,即使在在罕遇地震作用下梁端上部钢筋仍然没有屈服,而是梁端下部钢筋屈服产生塑性铰。

另外,从塑性铰出现的部位变化来看,不论考虑楼板作用与否,均出现了较多的柱铰,原因在于8度区异形柱结构的柱配筋由地震作用组合的内力控制,而7度区异形柱结构的柱配筋由构造控制,且不同地震动输入下柱铰位置及数量有差异,在该类柱抗震设计时应引起足够重视。

在破坏机制上来看,8度区忽略楼板作用的结构表现为梁铰为主、柱铰也大量出现,8度区考虑楼板作用的结构则表现为柱铰为主。

3 结论

采用基于柔度法的纤维模型梁柱单元,对2栋钢筋混凝土异形柱框架结构,进行了单向水平罕遇地震输入下的空间结构弹塑性动力分析,得出了以下结论：

1)现浇混凝土楼板及其钢筋显著提高了钢筋混凝土框架梁端支座的抗弯承载力,因此在罕遇地震作用下框架梁塑性铰的出现在相对较弱的梁端下部的现象。

2)相对于不考虑楼板作用,考虑楼板作用的结构在罕遇地震作用下出现的梁铰减少,而柱铰却明显增多且塑性转角增大,甚至出现局部楼层所有柱上下端均出铰的抗震不利情况。这说明现浇楼板及其配筋对混凝土异形柱框架结构的破坏机制有显著的影响,在抗震设计内力调整时应足够重视楼板的影响,尤其对于高烈度区结构。

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