淺談鋼筋混凝土框架結構設計應注意的事項

羅凌霄

摘 要： 本文通過汶川地震建筑震害啟示介紹鋼筋混凝土框架結構設計應注意的事項。

關鍵詞：鋼筋混凝土框架結構；強柱弱梁；框架柱加強

2008年5月12日汶川發生大地震，造成了重大人員傷亡和經濟損失。在地震區對各類房屋建筑震害的調查發現，在高烈度區，理論上抗震性能較好的鋼筋混凝土結構倒塌了，而抗震性能相對較差的砌體結構卻裂而不倒，抗震設計要求鋼筋混凝土框架結構的“梁鉸機制”沒有出現，而是出現了大量的“柱鉸”。

《建筑抗震設計規范》定義的“強柱弱梁”是指節點處柱端實際受彎承載力大于梁端實際受彎承載力。由于地震作用的復雜性、現澆樓板的影響和鋼筋屈服時的超強等因素的影響，難以通過精確的計算實現。因此，規范采用增大柱端彎矩設計值、即提高柱端的彎矩增大系數的方法。在計算梁端彎矩和配筋時，考慮部分樓板作用形成T形梁，將框架梁抗彎剛度乘以1.5~2.0的放大系數后，計算梁的配筋超強，再加上板的鋼筋，使T形梁不但剛度加大，實際承載力大于梁端彎矩，而且與之正交的另一向T形梁對柱子形成約束，在雙向水平地震作用下，柱截面處于復雜的雙向受力狀態；一般情況下，框架柱即使增大了柱端彎矩設計值，計算結果一般只按構造要求配筋；只有當構件抗震等級為9度一級時，規范才要求按照梁的實配鋼筋反算柱端彎矩。因此，對于抗震等級為二、三級的構件，實際的結構設計形成的是“強梁弱柱”。汶川地震中，鋼筋混凝土框架結構大量出現的是柱鉸機制而不是梁鉸機制。因此設計時有必要加大柱子截面和配筋，參與工作的樓板配筋不能加入梁的配筋，從而適當減小梁的截面尺寸和配筋。框架柱造價在框架結構中是很小的，而在抗震時起的作用是決定性的。經實驗，考慮空間作用時，柱子縱筋加大至計算值的2.5倍左右才可保證塑性鉸不出現在柱子上。可不按計算配筋，大幅度增加縱筋，同時增大箍筋。

結構受力時，結構中的各個構件能同時達到較高的應力水平。在多高層結構設計時，應盡可能避免短柱，其主要的目的是使同層各柱在相同的水平位移時，能同時達到最大承載能力，但隨著建筑物的高度與層數的加大，巨大的豎向和水平荷載使底層柱截面越來越大，從而造成高層建筑的底部數層出現大量短柱，為了避免這種現象的出現，對于大截面柱，可以通過對柱截面開豎槽，使矩形柱成為田形柱，從而增大長細比，避免短柱的出現，這樣就能使同層的抗側力結構在相近的水平位移下，達到最大的水平承載力；而對于梁的跨高比的限制，一般還沒有充分認識到。實際上與長短柱混雜的效果一樣，長、短梁在同一榀框架中并存，也是極為不利的，短跨梁在水平力的作用下，剪力很大，梁端正、負彎矩也很大，其配筋全部由水平力決定，豎向荷載基本不起作用，甚至于梁端正彎矩鋼筋也會出現超筋現象，同時，由于梁的剪力增大，也會使支承柱的軸力大幅增大，這種設計是不符合協同工作原則的，同時，結構的造價必將會上升。多高層結構設計的主要目的即是為了抵抗水平力的作用，防止扭轉，為有效的抵抗水平力作用，平面上兩個正交方向的尺寸宜盡量接近，目的是保證這兩個方向上的“慣性矩”相等，以防止一個方向強度（穩定性）儲備太大，而另一個方向較弱，因此，抗側力結構（柱、剪力墻）宜設置在四周，以增大整體的抗側剛度及抗扭慣性矩，同時，應加大梁或樓層的剛度，使柱（或剪力墻）能承擔較大的整體彎矩，這就是“轉換層”的概念。防止扭轉的目的，是因為在扭轉發生時，各柱節點水平位移不等，距扭轉中心較遠的角柱剪力很大，而中柱剪力較小，破壞由外向里，先外后里。為防止扭轉，抗側力結構應對稱布置，宜設在結構兩端，緊靠四周設置，以增大抗扭慣性矩。因此，高層或超高層建筑中，盡管角柱軸壓比較小，但其在抗扭過程中作用卻很大（若角柱先壞，整個結構的扭轉剛度或強度下降，中柱必定依次破壞），同時，在水平力的作用下，角柱軸力的變化幅度也會很大，這樣勢必要求角柱有較大的變形能力。由于角柱的上述作用，角柱設計時在承載力和變形能力上都應有較多考慮，如加大配箍，采用密排箍筋柱、鋼管混凝土柱。

綜上所述，筆者認為鋼筋混凝土框架結構設計時，框架柱的設計要加強，框架梁和板的配筋輕易不要調大。

參考文獻

[1] GB 50011-2001，建筑抗震設計規范（2008年版），北京，中國建筑工業出版社，2008.

[2] 建筑工程抗震標準研討會文件資料匯編，長春，吉林省建設廳，2008.