现浇楼板对框架梁抗弯承载力和刚度增强作用的研究

关键词：框架结构；现浇楼板；强柱弱梁 

　　一、引言 

　　钢筋混凝土框架结构是工业和民用建筑中常用的结构形式之一。《建筑抗震设计规范》中 6.2.2 条文说明指出，地震作用下框架结构的变形能力与其破坏机制密切相关。“强柱弱梁”屈服机制，属于整体型结构屈服机制，可使整个框架结构有较大的内力重分布能力，有尽可能多的结构构件参与整体结构抗震，地震能量可分布于所有楼层耗散，耗能能力大，极限层间位移增大，抗震性能较好，是框架结构抗震设计所期望的理想屈服机制。 

　　为了保证现浇钢筋混凝土结构在地震作用下具有良好的耗能能力，针对“大震不倒”的设防目标，我国现行规范采用了“强柱弱梁”的设计准则。但对1976年的唐山地震中48幢钢筋混凝土框架结构的震害调查表明[3]，由于现浇楼板与框架梁的共同工作，提高了梁端的受弯承载力，致使破坏大多产生在柱中；凡是没有楼板的空框架，则裂缝都出现在框架梁中。对我国建国以来最为强烈的“5.12”汶川大地震震害调查亦表明：并未实现设计规范所要求的“强柱弱梁”梁铰破坏机制，大量的现浇框架结构出现了“强梁弱柱”型柱端破坏的震害，甚至还有节点区破坏的情况。由此可见，现行规范针对“强柱弱梁”设计准则提出的设计方法只能在一定程度上减缓柱端的屈服，并不能真正达到“强柱弱梁”。结合国内外的研究及震害分析可知，造成“强梁弱柱”型破坏形式的一个主要原因在于结构设计中忽略了框架梁端附近现浇楼板对梁端截面抗弯承载力的提高作用。本文仅从楼板对框架梁的刚度和承载力贡献方面，分析研究其增强作用。 

　　二、现浇楼板对框架梁抗弯承载力和刚度增强作用的影响因素研究 

　　早在20世纪八十年代国内外学者就已经提出楼板对框架梁的抗弯能力具有不可忽视的增强作用，但是该认识始终只停留在定性的层面上，至今为止未能给出考虑现浇楼板对框架梁影响的量化公式。国内外诸多学者对现浇楼板进行了一系列的试验研究和数值模拟分析，试图找到并量化楼板的作用，期望通过简单准确的设计方法将其列入实际的结构设计中来，使得现浇钢筋混凝土结构能够较好地实现“强柱弱梁”的破坏机制。目前，多从框架梁刚度放大系数、柱梁抗弯承载力比、节点支座处的实际负弯矩、楼板作用对框架塑性铰发展的影响、楼板内钢筋的影响、板有效宽度的确定等方面，对现浇楼板对框架梁抗弯承载力和刚度增强作用的影响因素展开研究。 

　　（一）框架梁刚度放大系数 

　　在进行框架结构计算时，梁、柱的刚度对结构的受力有较大影响，并直接关系到“强柱弱梁”机制能否实现。框架柱的刚度主要与材料的弹性模量及截面尺寸有关，而框架梁的刚度不仅与材料弹性模量和截面尺寸有关，还与现浇楼板的厚度及结构跨度有关。 

　　在结构设计时，通常采用一个刚度放大系数来考虑这些因素的影响，即一般需将中梁和边梁的刚度按原框架梁矩形截面刚度分别乘2.0 和1.5。这仅仅是对竖向荷载作用下的梁刚度考虑了楼板的增强作用，而对框架现浇楼板内与梁肋平行的钢筋参与梁端负弯矩承载能力的问题没有做出明确考虑。实际结构中楼板钢筋参与框架梁受力的钢筋很可能超出框架梁自身配筋面积的10 %以上，从而导致《建筑抗震设计规范》规定的“强柱弱梁”要求实际上无法实现。 

　　在结构设计时，一般都是不考虑楼板参与整体计算，大部分情况下是直接将荷载倒算的梁上，而在计算水平荷载（地震与风荷载） 的时候考虑楼板对梁刚度的提高作用，用一个中梁（边梁） 刚度放大系数来考虑楼板的作用，但计算梁配筋的时候又只考虑矩形截面，这样一来形成了本来是T形梁承受荷载，钢筋计算却完全集中在矩形截面中。考虑楼面影响后，框架梁的计算内力增大，配筋量也增大，这仅考虑了楼板刚度对框架结构内力的影响，对实现“强柱弱梁”无直接关系。 

　　设计规范除了在对框架梁跨中位置以Γ形梁或T形梁形式来考虑楼板对框架梁抗弯刚度带来的影响外 ，在其他位置都忽略了楼板对梁刚度和强度上的提高，从而大大低估了框架梁的实际抗弯能力，造成了框架梁的“超强”现象。 

　　（二）柱梁抗弯承载力比 

　　为保证“强柱弱梁”设计原则的实现，建筑抗震设计规范根据不同的抗震等级要求梁柱节点处柱端抗弯承载力之和与梁端抗弯承载力之和的比值在1.1～1.7之间。但是大量实际框架结构工程中采用现浇楼板，而设计时往往没有考虑受压时楼板翼缘或受拉时楼板钢筋对梁抗弯承载力的贡献，影响框架在地震作用下 “强柱弱梁”设计原则的实现。 

　　（三）节点支座处的实际负弯矩 

　　我国规范虽然对竖向荷载作用下梁的刚度考虑了楼板的增强作用，将中梁和边梁的刚度分别放大2倍和1.5倍，但对框架现浇楼板内与梁肋平行的钢筋参与梁端负弯矩承载能力的问题没有做出明确规定。已有试验和理论研究表明，当梁端承受负弯矩时，现浇楼板将显著增大梁端截面的抗弯承载力，这对规范中要求的“强柱弱梁”抗震设计原则造成了极大的挑战。 

　　目前，美国ACI318-02规范[15 ]明确指出验算框架柱梁强度比时，梁端承载力特别是负弯矩承载力需要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，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。 

　　（四）楼板作用对框架塑性铰发展的影响 

　　学者French等人 收集和总结了各国20个梁-板-柱节点（ 13个中节点、7个端节点）试验结果，对获得的数据进行分析后认为，如果将板的有效宽度取为ACI规范规定的有效宽度，则计算出的抗弯强度就将接近于实测的当层间水平位移角为2%时的抗弯强度；French 同时指出，由于板的作用是极其复杂的，它与许多变量有关，而目前所获得的实验数据依然非常有限，因此目前对板有效宽度的确定仍然带有很大的近似性。 

　　三、结语 

　　综合上述国内外研究可知，深入研究现浇楼板对框架梁的受力影响是改进现行设计方法、更好地实现“强柱弱梁”设计准则的基础，亟待展开的研究工作如下： 

　　（1）现浇楼板薄膜效应对结构整体受力机理具有较大的影响。因楼板厚度与长度、宽度之间的尺寸差别悬殊，有必要对楼板的薄膜效应带来的影响进行深入研究。 

　　（2）需对现浇板空间框架模型进行双向低周反复试验，考虑板的空间效应和双向地震力的影响，并对模型进行双向地震作用下的时程分析，结合试验结果对其进行综合评价，以期更加贴近实际情况。 

　　（3）在已有的研究中所采用的试件均为带楼板的梁柱节点或平面框架，应将具有结构整体作用的空间框架结构作为研究对象进一步研究。 

　　参考文献 

　　[1]中华人民共和国建设部.GB 50011-2010混凝土抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社， 2010. 

　　[2]叶列平，曲哲，马千里等. 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，Vol.38（11）：52-59.