现浇楼板对RC框架结构“强柱弱梁”破坏机制的影响及措施

金焕,任俊

(1.广东石油化工学院 建筑工程学院,广东 茂名 525000;2.辽宁中大建设工程有限公司,辽宁 营口115007)

《建筑抗震设计规范》指出:“框架结构的变形能力与框架的破坏机制密切相关。试验研究表明,梁先屈服,可使整个框架有较大的内力重分布和能量消耗能力,极限层间位移增大,抗震性能较好。”[1]因此,规范规定罕遇地震作用下框架结构的理想屈服耗能机制是梁铰机制,“强柱弱梁”是结构抗震设计的重要原则,我国规范通过梁柱线刚度比、柱端弯矩增大系数等构造措施来实现。然而,实际震害表明[2-4],由于地震的复杂性、钢筋的超强、楼板及填充墙的参与作用等原因,“强柱弱梁”抗震机制难以实现。

根据相关试验研究及数值模拟分析表明[5-9],RC框架结构出现“柱铰”破坏机制的一个主要原因在于,在设计过程中,并未考虑由于现浇楼板的存在,使得与之相连的纵向梁实际抗弯能力“超强”。对于现浇楼板在框架梁抗弯承载力中的参与作用,到目前为止,在结构设计中并未考虑进来。因此,本文将在楼板对框架结构相关影响的研究现状和我国规范规定的分析基础上,对四层RC框架结构缩尺模型进行非线性有限元数值模拟,对比分析普通现浇楼板和楼板四角设缝对RC框架结构动力性能的影响,并提出避免现浇楼板的影响而保证实现“强柱弱梁”破坏机制的抗震措施。

1 现浇楼板的影响

1.1 研究现状

楼板是影响结构水平荷载作用下受力性能的主要结构构件[10-12]。研究表明,在承受负弯矩的情况下,现浇梁板协同工作,板中钢筋作为附加受拉钢筋参与工作;在正弯矩作用下,板作为梁的翼缘构成T形截面梁,板作为受压翼缘参与作用。在水平地震作用下,楼板会显著提高梁的抗弯承载力,尤其当负弯矩作用下,梁柱的弯曲比降低,柱中容易出现塑性铰,结构的破坏模式会由“强柱弱梁”破坏机制转为“强梁弱柱”破坏机制[13-16]。由于楼板的贡献,结构的层间抵抗力及抗侧移刚度都会显著提高,同时,节点的刚度、抗弯能力以及耗能能力也会受楼板的影响。

鉴于上述分析可见,在设计过程中,考虑楼板的作用宽度是十分必要的,所以需将楼板作为梁的翼缘进行设计。数据分析表明,现浇楼板的作用是非常复杂的,受很多参数的影响[7]。当框架结构平面内层间位移越大,楼板的贡献越明显。梁的抗扭刚度越大,楼板的有效翼缘宽度越大。同时,水平荷载的作用形式以及楼板边缘的变形性能也会影响楼板的贡献。目前,关于楼板翼缘的公式是以试验为基础的经验公式,计算得出的值仍然带有很大的近似性。一些学者从降低现浇楼板对框架梁贡献的角度出发,提出了采用板角设缝的措施来调整框架结构的屈服机制[17,18],但该措施对结构抗震性能的影响分析尚不成熟,侧重于结构的静力分析和局部分析,有待进一步深入研究。

1.2 规范相关规定

实际工程中,通常采用现浇整体式框架结构形式,楼板与框架梁整浇,二者结合良好,共同工作受力,可显著提高框架梁的抗弯刚度和抗弯承载力。当梁承受正弯矩时,楼板和框架梁构成T形截面,楼板作为翼缘增加了框架梁的受压区宽度,进而增加梁端抗弯承载力和抗弯刚度。因此《混凝土结构设计规范》规定框架梁跨中正弯矩截面,楼板作为翼缘按照T形截面进行抗弯承载力计算,翼缘宽度规范也做了明确的规定。当梁承受负弯矩时,楼板中的钢筋对框架梁端的负弯矩产生增强的作用,如图1所示,框架梁端的负弯矩承载力会有明显提高,然而规范对此没有做出明确的规定。

图1 梁端负弯矩配筋对比

我国《高层建筑混凝土结构技术规程》规定[16]:“在结构内力与位移计算中,现浇楼面和装配整体式楼面中梁的刚度可考虑翼缘的作用予以增大。楼面梁刚度增大系数可根据翼缘情况取1.3～2.0。对于无现浇面层的装配式结构,可不考虑楼面翼缘的作用。”在结构设计过程中,梁的刚度考虑了翼缘增大的影响。在水平荷载作用下,考虑楼面影响后,根据分析表明,随着梁的刚度增大,尽管柱的抗侧移刚度会增大,但是框架梁柱端的计算内力都会相应提高,配筋量都增大,这仅考虑了楼板刚度对框架结构内力的影响,与“强柱弱梁”的控制无直接关系。

我国抗震规范的条文说明中指出:“当计算梁端抗震承载力时,若计入楼板内的钢筋,且材料强度标准值考虑一定的超强系数,则可提高框架结构‘强柱弱梁’的程度。”然而,我国现行抗震设计规范并没有对楼板的影响给出明确的设计及计算方法。

目前,国外一些规范明确提出楼板钢筋对负弯矩承载力的增强作用,需考虑有效翼缘宽度范围内的楼板与梁协同工作。例如,美国ACI 318-02规范中[19],梁端负弯矩承载力计算时对有效翼缘宽度做了详细规定,计算得到的梁中受力钢筋分别布置于梁肋内和现浇板翼缘内,并在此基础上进一步考虑柱端弯矩增大系数,以达到“强柱弱梁”的设计目标。新西兰规范则规定在确定梁中承受负弯矩的钢筋时考虑了楼板对承载力的贡献,将现浇板有效宽度范围内的与梁肋平行的钢筋作为负弯矩受拉钢筋的组成部分[20]。

2 有限元数值分析

5.12汶川地震中,漩口中学教学综合楼未产生设计预期的“强柱弱梁”破坏机制,倒塌非常严重。通过分析表明,现浇楼板对框架结构破坏机制的影响是不容忽视的,而我国现行规范尚未对现浇楼板对框架梁的贡献作用进行量化,框架结构的设计相当于按照没有楼板的空框架进行设计计算,只是在计算中考虑了楼板的荷载以及对框架梁刚度的贡献。那么,忽视现浇楼板的贡献,“强柱弱梁”破坏机制能否实现呢?本文基于倒塌的漩口中学教学综合楼为原型,取出两跨有代表性的单元,依据现行规范设计了两个2×2跨、1/5缩尺的四层RC框架结构模型[17],一个模型楼板为普通现浇板,一个模型楼板四角设缝。采用DIANA非线性有限元分析软件,对两模型进行非线性数值模拟,研究现浇楼板及楼板四角设缝对框架结构破坏机制的影响。

2.1 有限元模型

有限元模型为三维实体模型,其中混凝土和纵向钢筋进行分离式建模,混凝土采用8节点三维实体单元,纵向钢筋采用埋入式BAR钢筋单元。为了使模型简化,梁柱中的箍筋和楼板中的钢筋不独立建模,将其作用等效到混凝土中。首先,通过Mander约束混凝土本构模型来考虑梁柱箍筋的作用,如图2所示。其次,通过等效钢筋混凝土本构模型来考虑楼板钢筋的作用,如图3所示。所建立的三维实体有限元模型的平面图如图4所示。

图2 约束混凝土本构模型

2.2 有限元分析结果

选取El-Centro波和卧龙波作为输入地震动,采用单向地震动输入及三向地震动输入,运用DIANA有限元分析软件进行结构的非线性有限元动力时程分析。通过分析,得到了两个模型的基本频率,普通现浇楼板模型X向、Y向的一阶频率分别为8.13和5.06,板角设缝模型X向、Y向的一阶频率分别为7.65、4.94。同时,通过计算得到两模型各个工况下的层间位移及层间位移角,如表1所示。当El-Centro波三向作用时,普通现浇楼板模型和板角设缝模型的首层层间位移分别为9.9 mm和11.1 mm,由表可见,在各个工况下,板角设缝模型首层层间位移角明显大于普通现浇楼板模型。如图5所示,图中曲线A为普通楼板模型,B为板角设缝模型,通过两模型各层层间位移对比可见,板角设缝模型的位移明显大于普通现浇楼板模型的位移。由上述分析可见,板角设缝使楼板四角与梁柱断开,梁板失去楼板的约束作用,降低了结构的整体刚度、自振频率和阻尼比,增大了结构的水平侧移,提高了框架结构的大震下抗倒塌能力。

表1 首层层间位移角

图5 各层层间位移

通过非线性有限元分析,可得到两模型梁柱端的钢筋应力。选取最大的底层中心柱节点处梁柱端钢筋应力峰值进行对比分析,如图6所示,现浇楼板模型的柱端钢筋应力明显大于板角设缝模型,现浇楼板模型的柱端钢筋应力明显大于梁端钢筋应力,柱端先出铰,与震害破坏机制吻合;板角设缝模型的柱端钢筋应力普遍小于梁端钢筋应力,梁端先出铰。因此,楼板四角设缝后,梁端钢筋应力明显增加,柱端钢筋应力明显降低,导致梁端钢筋应力普遍大于柱端钢筋应力。两模型梁柱端钢筋应力云图如图7所示,普通现浇楼板模型的钢筋应力峰值点基本位于框架柱两端,为“柱铰”屈服机制。板角设缝模型的钢筋应力峰值点多数位于框架梁端及框架柱底,为“混合铰”屈服机制。所以,两模型的屈服机制出现明显变化。综上,现浇楼板的存在导致框架结构很难实现“强柱弱梁”破坏机制,楼板四角设缝后,避免了楼板对框架梁端的贡献,改变了框架结构的屈服机制,使结构易形成“梁铰”机制,对实现“强柱弱梁”具有良好的效果。

图6 梁柱端钢筋峰值应力

图7 框架梁柱钢筋应力云图(三向El-Centro波0.39g)

3 结论

本文采用DIANA软件对两个四层缩尺的RC框架结构模型进行了非线性有限元数值模拟,对比分析了普通现浇楼板模型和楼板四角设缝模型的动力性能。研究表明,现浇楼板对RC框架结构的破坏模式具有很大的影响,现浇楼板的作用导致RC框架结构很难能实现“强柱弱梁”破坏机制,如果将框架节点处楼板与梁柱设缝断开,可以明显提高结构的整体延性,并有效减少框架结构柱端的塑性铰数量,使结构呈现出“强柱弱梁”破坏机制,提高结构的抗震性能。