新旧规范混凝土框架结构计算分析与配筋对比

董立坤 李云贵

(中国建筑科学研究院，北京 100013)

1 前言

我国处于环太平洋地震带和亚欧地震带，是世界上地震灾害最严重的国家之一，地震强度大，分布广，频率高，损失重[1]。2008年5月12日汶川地震震害表明，设计中严格执行了2001规范的钢筋混凝土房屋，基本上达到了在规定设防目标下“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防要求。但这次超过设防烈度的强烈地震也给我们带来了深切的体会和沉重的教训。钢筋混凝土框架结构的主要震害[2-3]包括:结构的整体倒塌、部分倒塌、薄弱层倒塌;围护结构和填充墙严重开裂和破坏;填充墙不合理设置或错层形成短柱剪切破坏;填充墙不合理设置造成结构实际层刚度不均匀，导致底部楼层侧移过大而倒塌，或导致结构实际刚度偏心使结构产生明显的地震扭转响应;梁柱节点区破坏;柱端出现塑性铰，未实现“强柱弱梁”屈服机制;作为逃生和救生的重要通道，楼梯间遭受严重破坏，部分楼梯甚至被拉断。震害表明，结构的重要部位和薄弱部位应予加强，如楼梯间，结构防止连续倒塌和强柱弱梁设计问题应予重视等。针对以上问题，这次规范修订[4-9]从结构布置、房屋的高度、抗震等级、结构跨数、柱截面尺寸、内力调整、轴压比限值、配筋率到楼梯构件等主要方面适当提高了混凝土框架结构的抗震设计要求，如改进不规则建筑判断，提高框架结构强柱弱梁、强剪弱弯内力调整和构造要求以及甲、乙类框架结构不得采用单跨框架等。

本文通过框架结构工程算例的比较，给出按新旧规范计算框架结构分析结果的差异和构件配筋的差异，分析了引起配筋变化的主要因素。

2 工程概况

某六层框架结构教学楼，如图1所示，一至六层层高分别为 5.10m、3.90m、3.90m、3.90m、3.90m、3.60m;主要柱网尺寸 5.4m×8.1m，5.4m×3.6m，主要柱、梁截面尺寸如图2所示。教室楼板厚度150mm，个别房间板厚120mm，中间走廊楼板和周边悬挑板厚度100mm。楼面恒载为1.2kN/m2，局部为 3.5kN/m2，楼梯间 6.0kN/m2，屋面恒载为3.5kN/m2;活荷载标准值楼面为2kN/m2，机房为7.0kN/m2，楼 梯、走 廊 3.5kN/m2，屋 面 活 荷 载0.5kN/m2。一层梁、板、柱采用 C35混凝土，其它层采用C30混凝土，混凝土容重26kN/m3，钢材容重78kN/m3。

建筑所在地区抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.20g，多遇地震水平地震影响系数最大值αmax=0.16，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg=0.40s，建筑设防类别为标准设防类;混凝土框架抗震等级为二级;修正后的基本风压为0.45kN/m2，地面粗糙程度B类。

周期折减系数0.9，梁端负弯矩调幅系数0.85，柱设计时不考虑活荷载折减。

图1 结构模型

图2 第一标准层结构平面布置简图

3 计算分析与配筋对比

a)计算分析对比

新旧规范分析结果对比见表1。

表1 结构整体计算分析结果对比

续表

由表1可以看出，按新旧规范计算，由于梁刚度放大系数取值和扭转位移比计算方法的不同等原因，结构整体计算分析结果稍有差异，但基本一致;结构分析时考虑楼梯构件的影响，梯板具有斜撑的受力状态，对结构整体影响比较明显，结构整体刚度变大，周期减小，位移减小，地震力增大。

在结构模型中考虑楼梯构件影响，楼梯布置方向为Y向，Y向水平地震作用下，楼梯对梯间角柱(平面图中右下角角柱)轴力的影响见图3，由图可见楼梯对梯间角柱的轴力影响很大，轴力影响底层最大，随楼层升高而减小。

图3 Y向水平地震作用下角柱轴力

由上述可见，当楼梯构件与主体结构整浇时，对楼梯周边构件内力数值有较大影响，结构设计人员应予以高度重视，楼梯构件应参与结构抗震计算分析，且加强楼梯及周边构件配筋。结构设计时为了避免或减小楼梯构件的支撑作用，可采取减小楼梯构件对主体结构影响的构造措施，宜将楼梯构件与框结构件脱开，如采用滑动连接，梯板滑动支承于平台板，以切断梯板与主体结构的水平传力路径，则楼梯构件对结构刚度等的影响较小，可不参与整体抗震计算。

b)钢筋用量对比

楼板允许裂缝宽度0.3mm，活荷载准永久值系数0.5，全楼楼板总面积4 714.39 m2，新旧规范采用不同的钢筋牌号楼板钢筋用量对比见表2。

由表2可以看出，采用新规范计算与设计，楼板钢筋有所减少，当钢筋采用HRB400，减少较多，约7.2%，主要原因为新规范规定当楼板采用强度等级400MPa、500MPa的钢筋时，最小配筋百分率(%)常数限值由原规范的0.20修改为0.15，可减少构造控制的情况，充分发挥钢筋的强度;采用高强钢筋，钢筋用量明显减少。

采用不同方案对工程钢筋用量进行对比:方案①按2002版规范计算，梁、柱纵向受力钢筋采用HRB400钢筋，梁、柱箍筋和楼板钢筋采用HRB335钢筋;方案②按2010版规范计算，梁、柱纵向受力钢筋采用 HRB400钢筋，梁、柱箍筋和板钢筋采用HRB335钢筋;方案③按2010版规范计算，梁、柱纵向受力钢筋采用HRB500钢筋，梁、柱箍筋和板钢筋采用HRB400钢筋。对比结果见表3。

表2 楼板钢筋用量(kg)对比设计

表3 不同方案钢筋用量(kg)对比构件

续表

由表2和表3可以看出，在材料强度等级不变的情况下，本工程按新旧规范计算对比，采用新规范效果如下:楼板配筋减少约2.0%左右;梁纵筋用量稍有增加，箍筋用量增加约5.0%，整体增加约3.6%;柱钢筋用量明显增加，达到12.2%;整体工程钢筋用量增加约4.2%。按新规范进行设计，采用高强高性能钢筋取代低强钢筋，钢筋用量明显减少，减少约10.7%。

4 不同抗震等级结构用钢量曲线

某框架结构，根据混凝土结构的抗震等级规定，通过改变结构设防烈度，调整结构的抗震等级，然后采用新旧规范计算分析与设计，其中构件纵向受力钢筋采用HRB400，箍筋采用HRB335，楼板钢筋采用HRB335。统计结构在不同抗震等级时用钢量的变化，绘制各抗震等级柱、梁及结构钢筋用量按新旧规范设计的比值曲线如图4所示。

由结构钢筋用量统计结果和图4各抗震等级结构钢筋用量按新旧规范设计的比值可以得出本工程钢筋用量变化规律如下:

1)由于结构设计中一般不考虑楼板的抗震计算，各抗震等级楼板配筋量变化一致，与按旧规范计算相比较，板配筋量减少在2.0%左右。

2)与按旧规范计算相比较，各抗震等级结构中，梁、柱箍筋用量增加幅度一般在4.0% ～6.0%之间;梁纵筋基本持平或略有减少;不同抗震等级柱纵筋变化有较大区别，从四级抗震到一级抗震，增加幅度范围在1.0% ～15.0%，非抗震时略有减少，主要原因为一般工程中偏压构件局部二阶效应计算放松。

3)按新旧规范进行设计，结构总计钢筋用量基本持平，变化基本在±5.0%范围内。

5 影响配筋的主要因素

a)梁刚度増大系数取值不同

在结构设计中，考虑楼板对框架梁抗弯刚度的贡献，一些实际做法是将中梁和边梁的刚度按原框架梁矩形截面刚度乘以2.0或1.5。

从工程实例中选取部分混凝土梁，按新《混凝土结构设计规范》第5.2.4条计算的受压区有效翼缘尺寸[4]及梁刚度放大系数见图5、表4。

图4 各抗震等级结构钢筋用量按新旧规范设计的比值

图5 混凝土梁受压区有效翼缘尺寸示意

表4 混凝土梁刚度放大系数

考虑楼板作为翼缘对梁刚度的影响，按新规范根据梁受压区有效翼缘尺寸与梁截面尺寸的相对比例确定的梁刚度放大系数，可以较为准确地计算结构的地震作用和结构位移，计算结果更加符合实际，同时引起梁配筋的波动。

b)梁斜截面承载力计算

对于矩形、T形和I形截面的一般受弯构件，承受均布荷载，当仅配置箍筋时，其斜截面的受剪承载力公式中箍筋项系数由 1.25 修改为 1.0[4-5]。

式中αcv为截面混凝土受剪承载力系数，对于一般受弯构件取0.7。

设计剪力相同，在混凝土抗剪不足，与按旧规范计算相比较，采用新规范计算箍筋计算面积增加25%，一般工程中梁箍筋用量增加5%左右。

c)正常使用极限状态计算

新规范调整了裂缝宽度的验算[4-5]，对于受弯、偏心受压构件裂缝宽度计算公式的形式不变，系数取值适当调整，式中钢筋混凝土构件受力特征系数αcr由2.1修改为1.9;预应力混凝土受弯构件受力特征系数 αcr由1.7修改为1.5。三级裂缝控制等级钢筋混凝土受弯构件的最大裂缝宽度计算和钢筋混凝土受弯构件的最大挠度计算由原来按荷载的标准组合并考虑荷载长期作用的影响修改为按荷载的准永久组合并考虑荷载长期作用的影响。同时增加了采用荷载准永久组合并考虑荷载长期作用的影响的刚度B的计算，公式为B=Bs/θ。

工程实例中某框架梁新旧规范正常使用极限状态验算对比见表5。

表5 裂缝宽度和挠度比较

由表5可见，采用新规范同样配筋情况下，计算的裂缝宽度值明显减小，挠度也有一定幅度减小，一定程度上可以解决了采用高强钢筋受裂缝宽度制约的问题。板正常使用极限状态验算与梁类似，此处不再详述。

d)框架柱内力调整

新旧规范框架结构框架柱内力调整[6-7]系数比较见表6。

表6 新旧规范框架结构框架柱内力调整系数比较

一级框架结构和9度的一级框架可不符合表6的要求，但应根据实配钢筋满足下式规定:ΣMc=1.2ΣMbua，V=1.2(+)/Hn。但在多数结构设计程序中未能实现这一操作，主要还是通过调整框架柱内力来尽量实现强柱弱梁、强剪弱弯。因此对于结构设计人员，针对较大工程根据实配钢筋验算强柱弱梁、强剪弱弯，在实际操作上仍有一定的困难，有待于结构设计软件在这一点上的改进。

工程实例中某框架柱内力调整的变化及配筋差异见表7。

表7 新旧规范框架柱内力调整与配筋比较

由表3、表7比较结果可以看出，当框架柱配筋由地震作用控制时，采用新规范，框架柱的设计内力与配筋计算面积明显增大。

e)其他主要因素

(1)计算分析时是否考虑楼梯构件。

(2)不规则建筑抗震概念设计的改进，扭转位移比[7]计算采用规定的水平力(考虑偶然偏心)，不再采用各振型位移的CQC组合，可能引起结构调整，进而影响结构内力及配筋。

(3)结构二阶效应计算由偏心距增大系数法修改为结构分析中考虑P－△效应，构件设计值采用Cm－ηns法考虑P－δ效应，柱设计内力及配筋有一定的变化。普通框架柱反弯点基本位于柱中部，当结构P－△效应较小时，与按原规范设计相比，计算配筋面积有所减少，部分情况下减少20% ～30%;对于细长柱可能有较大变化，配筋可能有较大差异[10]。

(4)钢筋混凝土结构的抗震等级划分和构造措施的改进，框架结构柱的最小截面尺寸，除不超过2层和四级外，比原规范增加100mm;提高了柱截面纵向受力钢筋的最小总配筋率，最多增加0.15;最大轴压比控制比原规范加严0.05。

(5)高强钢筋配筋的应用，一般情况下钢筋用量明显减少。

6 结束语

本文对汶川地震中钢筋混凝土框架结构的主要震害现象进行了简要介绍，通过对某框架结构工程算例的比较分析，给出按新旧规范计算结构整体指标和构件配筋的差异及导致差异产生的主要原因，得出以下结论:

1)由于梁刚度放大系数取值和扭转位移比计算方法的不同等原因，结构整体计算分析结果稍有差异，但基本一致。当楼梯构件与主体结构整浇时，梯板起到支撑的作用，对结构整体影响比较明显，对楼梯周边构件内力数值有较大影响，结构设计人员应予以高度重视。结构设计时，宜将楼梯构件与框结构件脱开，减小楼梯构件对主体结构的影响，如采用滑动连接，梯板滑动支承于平台板，以切断梯板与主体结构的水平传力路径，此时楼梯可不参与整体抗震计算。

2)在材料强度相同的情况下，采用新规范分析与设计:楼板配筋减少约 2.0%左右，当采用HRB400时，可能减少较多;梁纵筋用量稍有增加，箍筋用量增加约5.0%，整体增加约3.6%;柱钢筋用量明显增加，达到12.2%;整体工程钢筋用量增加约4.2%。采用高强高性能钢筋取代低强钢筋，钢筋用量明显减少，减少约10.7%。

3)采用新规范分析与设计:各抗震等级结构中，梁、柱箍筋用量增加幅度一般在4.0% ～6.0%之间;梁纵筋基本持平或略有减少;不同抗震等级柱纵筋变化有较大区别，从四级抗震到一级抗震，增加幅度范围在1.0% ～15.0%，非抗震时略有减少，主要原因为一般工程中构件二阶效应计算放松;结构总计钢筋用量基本持平，变化基本在5.0%以内。

新规范更加注重结构概念设计，进一步强调了“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固”的抗震设计原则，在保证结构安全的前提下，减少了设计过程中构件配筋由裂缝或挠度控制的情况，进一步加强了抗震措施，切实提高我国建筑工程的抗震设防水平，保证人民生命财产安全。

[1]国家标准建筑抗震设计规范管理组.建筑抗震设计规范GB 50011－2010统一培训教材[M].北京:地震出版社，2010.

[2]叶列平，曲哲等.从汶川地震框架结构震害谈“强柱弱梁”屈服机制的实现[J].建筑结构，2008，38(11):52-59，67.

[3]薛彦涛，黄世敏等.汶川地震钢筋混凝土框架结构震害及对策[J].工程抗震与加固改造，2009，31(5):93-100.

[4]中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范GB 50010 －2010[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[5]中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范GB 50010 －2002[S].北京:中国建筑工业出版社，2002.

[6]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范GB 50011 －2002[S].北京:中国建筑工业出版社，2002.

[7]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范GB 50011 －2010[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[8]赵基达，徐有邻.《混凝土结构设计规范》修订概况(一)[J].建筑结构，2011，41(2):132-136.

[9]王亚勇，张海明.国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011－2010)疑问解答(一)[J].建筑结构，2010，40(12):135-138.

[10]夏绪勇，徐有邻.新旧混凝土规范构件配筋设计比较[J].建筑结构，2011，41(11):145-147，124.