浅谈钢筋混凝土框架结构设计应注意的事项

    罗凌霄

    摘 要： 本文通过汶川地震建筑震害启示介绍钢筋混凝土框架结构设计应注意的事项。

    关键词：钢筋混凝土框架结构；强柱弱梁；框架柱加强

    2008年5月12日汶川发生大地震，造成了重大人员伤亡和经济损失。在地震区对各类房屋建筑震害的调查发现，在高烈度区，理论上抗震性能较好的钢筋混凝土结构倒塌了，而抗震性能相对较差的砌体结构却裂而不倒，抗震设计要求钢筋混凝土框架结构的“梁铰机制”没有出现，而是出现了大量的“柱铰”。

    《建筑抗震设计规范》定义的“强柱弱梁”是指节点处柱端实际受弯承载力大于梁端实际受弯承载力。由于地震作用的复杂性、现浇楼板的影响和钢筋屈服时的超强等因素的影响，难以通过精确的计算实现。因此，规范采用增大柱端弯矩设计值、即提高柱端的弯矩增大系数的方法。在计算梁端弯矩和配筋时，考虑部分楼板作用形成T形梁，将框架梁抗弯刚度乘以1.5~2.0的放大系数后，计算梁的配筋超强，再加上板的钢筋，使T形梁不但刚度加大，实际承载力大于梁端弯矩，而且与之正交的另一向T形梁对柱子形成约束，在双向水平地震作用下，柱截面处于复杂的双向受力状态；一般情况下，框架柱即使增大了柱端弯矩设计值，计算结果一般只按构造要求配筋；只有当构件抗震等级为9度一级时，规范才要求按照梁的实配钢筋反算柱端弯矩。因此，对于抗震等级为二、三级的构件，实际的结构设计形成的是“强梁弱柱”。汶川地震中，钢筋混凝土框架结构大量出现的是柱铰机制而不是梁铰机制。因此设计时有必要加大柱子截面和配筋，参与工作的楼板配筋不能加入梁的配筋，从而适当减小梁的截面尺寸和配筋。框架柱造价在框架结构中是很小的，而在抗震时起的作用是决定性的。经实验，考虑空间作用时，柱子纵筋加大至计算值的2.5倍左右才可保证塑性铰不出现在柱子上。可不按计算配筋，大幅度增加纵筋，同时增大箍筋。

    结构受力时，结构中的各个构件能同时达到较高的应力水平。在多高层结构设计时，应尽可能避免短柱，其主要的目的是使同层各柱在相同的水平位移时，能同时达到最大承载能力，但随着建筑物的高度与层数的加大，巨大的竖向和水平荷载使底层柱截面越来越大，从而造成高层建筑的底部数层出现大量短柱，为了避免这种现象的出现，对于大截面柱，可以通过对柱截面开竖槽，使矩形柱成为田形柱，从而增大长细比，避免短柱的出现，这样就能使同层的抗侧力结构在相近的水平位移下，达到最大的水平承载力；而对于梁的跨高比的限制，一般还没有充分认识到。实际上与长短柱混杂的效果一样，长、短梁在同一榀框架中并存，也是极为不利的，短跨梁在水平力的作用下，剪力很大，梁端正、负弯矩也很大，其配筋全部由水平力决定，竖向荷载基本不起作用，甚至于梁端正弯矩钢筋也会出现超筋现象，同时，由于梁的剪力增大，也会使支承柱的轴力大幅增大，这种设计是不符合协同工作原则的，同时，结构的造价必将会上升。多高层结构设计的主要目的即是为了抵抗水平力的作用，防止扭转，为有效的抵抗水平力作用，平面上两个正交方向的尺寸宜尽量接近，目的是保证这两个方向上的“惯性矩”相等，以防止一个方向强度（稳定性）储备太大，而另一个方向较弱，因此，抗侧力结构（柱、剪力墙）宜设置在四周，以增大整体的抗侧刚度及抗扭惯性矩，同时，应加大梁或楼层的刚度，使柱（或剪力墙）能承担较大的整体弯矩，这就是“转换层”的概念。防止扭转的目的，是因为在扭转发生时，各柱节点水平位移不等，距扭转中心较远的角柱剪力很大，而中柱剪力较小，破坏由外向里，先外后里。为防止扭转，抗侧力结构应对称布置，宜设在结构两端，紧靠四周设置，以增大抗扭惯性矩。因此，高层或超高层建筑中，尽管角柱轴压比较小，但其在抗扭过程中作用却很大（若角柱先坏，整个结构的扭转刚度或强度下降，中柱必定依次破坏），同时，在水平力的作用下，角柱轴力的变化幅度也会很大，这样势必要求角柱有较大的变形能力。由于角柱的上述作用，角柱设计时在承载力和变形能力上都应有较多考虑，如加大配箍，采用密排箍筋柱、钢管混凝土柱。

    综上所述，笔者认为钢筋混凝土框架结构设计时，框架柱的设计要加强，框架梁和板的配筋轻易不要调大。

    参考文献

    [1] GB 50011-2001，建筑抗震设计规范（2008年版），北京，中国建筑工业出版社，2008.

    [2] 建筑工程抗震标准研讨会文件资料汇编，长春，吉林省建设厅，2008.