抗震钢筋混凝土框架底层柱底截面弯矩增强系数合理取值的讨论_韦锋

在我国《建 筑抗震 设计 规范》和《混凝 土结 构设计 规范》中 , 对上部各层柱抗弯能力增强措施 和底层柱下 端截面的抗弯能力增强措施是分别作出 规定的 。混凝 土规范修订 前后的 具体 规定如 表 1 所 示 。表中 显示 , 对于抗震要求最严的等级 , 上部某个节点 处上 、下柱截 面的抗弯能力增 强措 施 , 是以 该节 点处按 实配 钢筋和 材料强度标准值 计算 出的左 、右梁 端同方 向抗 弯能力
配(如跨 中正 弯矩 所需 下 部纵 筋 全部 伸 入支 座 , 节点 左 、右上部梁筋按弯矩较大一侧需要贯通布 置等)的超 配系数 , 在框架 中间 节点处 约为 1.3 ～ 1.4 左右 , 在框 架边节点处约为 1.05 左右 。这相当于在中间节点处
∑ Mc ≥1.1 ×(1.3 ～ 1.4)∑ Mb =(1.43 ～ 1.54)∑ Mb
从表 1 中还可 以看 出 , 为了 适度 改善 结构的 抗震 性能 , 修订后规 范提高 了上 部各层 柱抗 弯能力 的增强 系数 , 但对于底层柱下端弯矩增强系数 , 除增加了三级 抗震等级的取 值规定 外 , 其 余情况 则保 持原规 范取值 未变 。在此次规 范修 订过程 中 , 底层 柱下 端截面 的弯 矩增强系数取值问题受到了各方面的 关注 。例如有人 认为对底层柱底取用过大的弯矩增强系数会给该处配 筋带来更大困 难 , 因此 建议 考虑降 低此 处弯矩 增强系 数的取值 。还有 人提 出疑问 , 既然梁 铰机 构框架 或梁 柱铰机构框架 底层柱 底必 然出现 塑性铰 , 是否 还有必 要增强这些截面的抗弯能力 。为了给上 述疑问以有根 据的回答 , 也为 了给底 层柱 底截面 弯矩 增强系 数合理 取值提供参考依 据 , 作 者曾受《混 凝土结 构设计 规范》 修订组委托 , 尝 试通过 多条 地震波 输入 的框架 结构非 线性动力反应 分析 , 研 究底 层柱底 弯矩 增强系 数的合 理取值问题 。限 于篇 幅 , 下面 仅给出 此次 分析的 有代 表性结果及初步结论 。
格的构造措施为代价 , 方能换来起码的塑 性变形能力 。 因此 , 只有通过增强各层柱端相对于梁端 的抗弯能力 , 方能在地震作用 引起 的非线 性动 力反应 过程中 , 引导 梁端塑性 铰出 现得 较 早 、较 普 遍 , 且使 塑 性转 动 较充 分 ;同时控制柱端塑性铰出现相对较迟 , 且 使塑性转动 较小 , 从而使各 柱端在 罕遇地 震下 的塑性 转动 不超过 其采取抗震约束措施后在相应轴压比下的 塑性转动能 力 , 保住其支承竖向重力荷载的基本能力 。 而“ 强剪弱 弯”措施则是人 为加大 各承重 构件 相对于 其抗 弯能力 的抗剪承载力 , 使这些 部位在 结构 经历罕 遇地 震的过 程中以足够的保证率不出现脆性剪切失效 。
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之和 ∑Mbua为基础给出的 ;对于其它情 况则 , 是以该节 点左 、右梁端考 虑地震 作用 的同方 向组 合弯矩 设计值
之和 ∑ Mb 为基础给出的 。而对于底层柱下端截面 , 则 是直接给出其组合弯矩设计值的增强系数 。
混凝土规范修订前后的“强柱弱梁”措施 表 1
原规范 GB J10 —89
图 1 框架轴线尺寸及梁 、柱截面尺寸(mm)
由上述分档方案形成了框架上部各层 柱和底层柱 底抗弯能力增强措施的 6 种组合 。按这 6 种组合和原 规范的其 它 有关 规 定 设计 出 的 6 榀 框 架 分别 为 B1 , B2 , B3 和 C1 ,C2 ,C3(见表 2)。为了使所设计出的框架 在符合规范要求的前提下处于偏不利状 态 , 在选用梁 、 柱截面尺 寸以 及混 凝土强 度等 级时(见 图 1), 使 其底 层柱的轴压比接近但不超过修订前规范规 定的轴压比 限值 , 并使框架在众值烈度地震下的层间位移接近但
榀框架编号
表2
上部各层柱抗弯能力增强措施
∑ M c≥1.1 ∑ Mb ∑ M c ≥∑ Mbua
底层柱下端弯矩增强系数
1.0
1.25
1.5
B1
B2
B3
C1
C2
C3
不超过修订前规范规定的变形控制条件 。同时 , 在梁 、 柱截面选 筋时 , 也 尽可 能 不人 为 增大 钢 筋截 面 面积 。 此外 , 底层柱的配筋都是按其上 、下端所 需配筋量的较 大值贯通布置的 。
一级 ∑ M c ≥1.1∑ Mbua
1.5
9度 区一级 框架
∑ M c ≥1.2∑ Mbua
1.5
其它一级 ∑ M c ≥1.4∑ Mb
1.5
二级 ∑ M c ≥1.1∑ M b
1 .25
二级
∑ M c ≥1.2∑ Mb
1.25
三级
—
—
三级
∑ M c ≥1.1∑ Mb
1.15
注 :《建 筑抗震设 计规范》(GB50011—2001)的规定与 规范 GB50010 —2002 的相同 。
在边节点处
∑ Mc ≥ 1.1 ×1.05 ∑ Mb =1.15 ∑ M b
从总体效果看 , 这大致与
∑ Mc ≥(1.4 ～ 1.5)∑ M b
的控制效果相当 。这是因为用 ∑ Mbua作为 基点可以分 别反映结 构不同部位的梁端纵筋超 配特征 , 而用 ∑ Mb 作基点则无法反 映各 部位超 配情 况的差 异 , 从 而可能 造成一部分柱截 面抗弯 能力增 强过 多(梁 端实 际超配 较少时), 另一部 分柱截 面抗弯 能力 增强不 足(梁端实 际超配较多时)的不利状况 。
弯能力增强措施强弱与底层柱下端抗弯能力增强措施 强弱的相互影响 , 如表 2 所示 , 对底层柱 下端共取了三 档弯矩增强系数 , 即 1.0 , 1.25 和 1.5 ;对上部各层柱抗
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弯能力的增强则 考虑 了两档 措施 , 一档为 修订 前规范 采用的 ∑ Mc ≥1.1 ∑ Mb , 另一 档为本 文选用的 进一步 加强了的 , 也更偏合理 的增强 措施 ∑ Mc ≥∑ Mbua 。由 于 Mbua按材料强度标 准值计 算 , 这一点 相当于 抗弯能 力增强幅度提 高了 1.1 倍(因 钢材强 度标 准值大 致为 设计值的 1.1 倍);而根据本文设计实例中 的梁端实配 钢筋所计算出的用来考虑梁端受拉纵筋因 构造原因超
二 、分析对象与方法 所完成的分析工作选择图 1 所示的 平面框架作为 对象 , 该框 架按 修订 前的《建筑 抗震 设计 规范》属于 8 度区 Ⅱ类场地条件下(近震)的二级抗 震等级 。其中包 括一个柱截面沿高度收小一次的设 计系列(6 榀框架) 和一个柱截面沿高度不 变的设计 系列(6 榀 框架)。限 于篇幅只给出柱截面沿高度不变的设计系列的分析结 果 。框架的 轴 线尺 寸 及梁 、柱 截面 尺 寸 如图 1 所示 , 梁 、柱的 混凝 土强 度等级 为 C30 , 纵 筋 为 HRB335 级 , 现浇板厚 100mm 。 为了 反映 “强 柱 弱梁” 措 施的 强弱 对罕遇地震下结构反应状态的影响以及上部各层柱抗
底层 柱 下 端截 面 抗震 上部各 层柱抗弯 和框支 层柱上 、下 抗震 等级 能力的 增强措施 端截 面 的 弯矩 增 等级
强系数
修 订后规范 GB50010 —2002
上部各层 柱抗弯 能 力增强措 施
底层柱 下端截面(底 层 柱钢筋 贯通)和框支 柱 顶层上 端 和底 层 下 端 截面的 弯矩增强 系数
第 33 卷 第 5 期
ห้องสมุดไป่ตู้
建 筑 结 构
2003 年 5 月
抗震钢筋混凝土框架底层柱底截面弯矩 增强系数合理取值的讨论
韦 锋 杨 红 白绍良
王 珍
(重庆大学土木工程学院 400045) (华东建筑设计研究院 上海 200002)
[ 提要] 以我国 8 度区(设计基本地震加速度 0.2 g)二级抗震钢筋混凝土框架结构为例 , 选取底层柱底截面的 三档弯矩增强系数与上部各层柱端抗弯能力的两档增强措施相组合 ,设计出 6 榀典型平面框架 ;再以采用单分 量模型和改进武田滞回模型的杆系结构弹塑性动力反应分析程序 PL-AFJD 对这些框架依次进行了相当于罕 遇地震水准的 4 条地面运动输入下的地震反应分析 。分析结果初步表明 ,要使结构全面满足抗震设计要求 , 底 层柱下端截面弯矩增强系数的取值应与上部各层柱的增强措施相匹配 ;修订后规范 8 度区二级抗震等级框架 上部各层柱的增强措施与修订前相比虽已有提高 , 但提高幅度尚嫌不足 ;底层柱底增强系数也宜在修订后规 范取值 1.25 的基础上适度提高 。 [ 关键词] 钢筋混凝土 框架 抗震设计 底层柱底弯矩增强系数
一 、引言 如果以框架 结构为 例 , 可 以把我 国钢 筋混凝 土结
构的抗震延性 设计思 路理 解为 , 通 过取 用合适 的用于 结构构件截面设 计的 地震作 用水准(我 国设计 规范取 常遇地震 水 准), 同 时 采取 两项 构 件承 载 能力 级 差措 施 ,即熟知的“强柱弱梁”措施和“强剪弱 弯” 措施 , 以及 相应的抗震构 造措施 , 使结 构能够 在罕 遇地震 水准的 地震引起的非 弹性动 力反 应过程 中 , 通 过塑性 变形耗 散地震能量 , 并 使各个 主要 承重构 件的 塑性铰 区所达 到的屈服后变形不超过该塑性铰区在保持其承载能力 前提下所具有 的塑性 变形 能力 , 而 且使 结构各 楼层不 会形成“层侧移机构”(柱铰机构)。这样 就可以期望所 设计出的结构能 以较 高的概 率实现“ 当 遭受高 于本地 区设防烈度的 预估罕 遇地 震影响 时 , 不 致倒塌 或发生 危及生命的严重破坏”的抗震设防目 标[ 1] 。其中“强柱 弱梁”措施的含义是 :由于比较容易通过 构造措施使梁 端塑性铰具有 良好 的塑性 变形能 力和 塑性耗 能能力 ; 而柱端塑性铰区随着轴压比的增大则必须以越来越严
Six RC frames of seism ic grade 2 in earthquake intensity 8 regions were designed by combination of three moment am-