结构平面布置应尽可能的简洁、规则,结构质量和刚度布置均匀。平面布置复杂,致使质心与刚心不重合,在地震作用下产生扭转反应,这样会大大加剧地震的破坏作用。台湾921地震中,一栋钢筋混凝土结构房屋由于结构平面不规则,在水平地震作用下,结构产生严重扭转效应而破坏倒塌,同时撞坏相邻建筑上部的阳台。抗震设计中,要求结构平面布置尽可能地使结构的刚心和质心相一致,以减小地震作用下结构产生的扭转效应,对于结构平面布置不规则的房屋应注意偏离结构刚心远端框架柱承载力的验算。
钢筋混凝土框架结构的地震反应与层间屈服强度系数ξ有着切的关系[2,3]。通过对千余个钢筋混凝土框架结构的弹塑性地震反应分析结果,得到层间屈服强度系数ξ沿结构高度均匀分布时,结构的弹塑性位移反应比较接近;层间屈服强度系数ξ沿结构高度非均匀分布时,结构在屈服强度系数ξ较小的楼层(即薄弱楼层)产生变形集中,其弹塑性位移反应数倍于其它楼层。所谓层间屈服强度系数,就钢筋混凝土框架结构而言是指楼层实际受剪极限承载力与其弹性反应地震剪力之比,按式(1)计算:
ξ(i)=VU(i)/Ve(i)(1)
式中:ξ(i)——第i层的层间屈服强度系数;
Ve(i)——第i层的弹性地震剪力;
(2)
n——结构总层数;
Fe(k)——第k层的弹性地震作用标准值;
Vu(i)——第i层楼层受剪极限承载力,对于砖填充墙不参与工作,计算参见文献[4];
对于砖填充墙参与工作,楼层受剪极限承载力按式(3)计算:
Vu(i)=Vuc(i)+γ∑Vub(i)(3)
式中:Vuc(i)——第i层钢筋混凝土框架柱的受剪极限承载力,计算参见文献[4];
γ——考虑砖填充墙极限承载力的折减系数,可取为0.7;
Vub(i)——第i层砖填充墙的受剪极限承载力,按式(4)
计算:
式中:Vub——第i层第j墙段受剪极限承载力;
m——第i层墙段总数;
σ0——第i层砌体强度的正应力;
fv——第i层第j段墙体非抗震设计的砌体抗剪强度设计值,按《砌体结构设计规范》(GBJ21988)采用;
Aj——第i层第j段墙体水平截面净面积。
城镇建设中,底部几层开设商场、上部作住宅或办公用房等建筑较多地采用这类结构形式。为满足使用要求,底部几层砖填充墙数量少、间距大,且层高较高;上部砖填充墙数量大、分布广。在地震作用下,上部砖填充墙与框架共同参与工作,即使砖填充墙先开裂,且开裂后的刚度迅速下降,但由于砖填充墙使用量大、分布部位广,结构进入塑性阶段后仍具有较大的耗能能力。同时,框架柱截面沿竖向没有变化或变化很小。计算出底部层间屈服强度系数ξ明显小于上部,成为结构的薄弱层。在中强地震作用下,造成较为突出的底部弹塑性变形集中现象。另外,砖填充墙提供较大的侧移刚度,使得上部与底部层间刚度比较大,不能满足规范要求。台湾921地震中,长途汽车站底层候车大厅空旷,上部与底层侧向刚度比较大,形成所谓“鸡腿”建筑,地震中底层完全倒塌而上部结构基本完好。因此,建筑竖向体型布置必须控制楼层竖向承载力和侧向刚度的均匀性。设计这类结构时,建议在底部几层增设钢筋混凝土剪力墙以解决刚度、强度不足的问题[5].避免底部出现弹塑性变形集中现象。
《建筑抗震设计规范》[6]规定,框架梁的梁端1.5hb～2hb(hb为梁高)范围内箍筋需要加密,目的是为了使梁端可能产生塑性铰的区域有较好的延性,这是抗震设计的构造要求。显然,构件除了要满足抗震构造要求外,还需保证在受力状态下的安全,如梁还应满足竖向荷载作用(或水平荷载组合作用)下抗剪承载能力的要求,以此确定抗剪箍筋的数量。
框架梁端截面组合的剪力设计值应按下式计算:
式中,nvb——梁端剪力增大系数,一级取1.3,二级取1.2三级取1.1——框架梁左右端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值:ln——梁的净跨;Vcb——梁在重力荷载代表值作用下,按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。其中第一项为框架梁左右端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩对梁端截面组合的剪力设计值的贡献,剪力图对称;第二项为重力荷载对梁端截面组合的剪力设计值的贡献,剪力图反对称;两者的组合情况如图1示。
目前许多计算机程序都只输出框架梁瑞(节点)处剪力和箍筋面积,梁其余部分的剪力和箍筋面积的变化情况不得而知,不少设计人员用程序计算时在加密区1.5hb～2hb长度内满足梁端部受力和构造要求,而在非加密区范围内的箍筋数量则按加密区数量的50%配置。地震高烈度区,部分多高层建筑跨中部位的剪力占到端部剪力的70～80%,有的甚至与端部剪力基本一致;如按规范规定的范围内加密箍筋,显然不能满足承载力和变形的要求。建议在水平荷载为主的多高层建筑底部几层梁全长按梁端组合的剪力设计值配置箍筋,上部非加密区箍筋数量宜适当增加。
“强柱弱架”是抗震设计中的一个重要原则,为使结构在强震下能形成梁铰机制,防止柱先于梁屈服,抗震设计要求梁柱节点处柱端的实际受弯承载力大于梁端的实际受弯承载力。目前在进行框架结构内力分析计算时,通常取构件的中心线来计算,计算得到的梁在节点处的弯矩是节点中心处的负弯矩,而不是梁与柱交接处的弯矩,可工程中配筋常常按此值进行。梁负弯矩在交接处较在中心处要小,特别是在框架柱截面尺寸较大、柱距较小时,两者的差距是很明显的。如按节点中心处负弯矩进行配筋,无疑提高了框架梁的实际受弯承载力,很难形成“强柱弱梁”的梁铰机制。
交接处梁负弯矩的大小主要与框架梁(柱)截面尺寸、柱距、层高、材料强度等级等因素有关,因此交接处梁负弯矩可表示为这些因素的函数,按式(6)计算:
M=αM0 (6)
式中,M0为框架梁、柱节点中心处的弯矩;α为梁柱交接处弯矩相对于节点中心处弯矩的折减系数,是框架梁(柱)截面尺寸、柱距、层高、材料强度等级等因素的函数,根据文献[7]有限元计算分析结果,并便于工程应用,建议α可取为(1-B/L)2,其中,B为框架柱宽度,L为梁的计算跨度。
摘要：本文通过对框架结构易损性分析，并结合震害资料及设计实践，对这类结构抗震设计中的几个问题进行了探讨，供设计人员参考。
关键词：框架结构,框架梁,抗震设计
[1] 王亚勇，白雪霜.台湾921地震中钢筋混凝土结构震害特征J.工程抗震，2001(1)：3-7.
[2] 尹之潜，李树桢，杨淑文.高层建筑的P-△效应和变形计算方法J.地震工程与工程振动，1992(3)：71-76.
[3] 高小旺.地震作用下多层剪切型结构弹塑性位移反应的实用计算方法J.土木工程学报，1984(3)：79-87.
[4] 钟益村.剪切型结构抗震极限强度的实用计算方法J.工程抗震，1986 (1).9-12.
[5] 童岳生，钱国芳.底层加抗震墙的框架结构房屋抗震计算J.西安冶金学院学报，1987(2)：13-20.
[6] 建筑抗震设计规范(GB 5001122001).北京：中国建筑工业出版社，2001.
[7] 陆浩亮，金国芳，李思明.梁柱节点负弯矩取值的探讨J.工程抗震，2002(2)：20-23.
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