現澆樓板對框架梁抗彎承載力和剛度增強作用的研究

提要：合理考慮樓板對梁承載力和剛度的影響，對保證鋼筋混凝土框架結構“強柱弱梁”設計原則的實現有著重要意義。在研究現澆樓板對框架梁抗彎承載力和剛度增強作用機理的基礎上，從框架梁剛度放大系數、柱梁抗彎承載力比、節點支座處的實際負彎矩、樓板作用對框架塑性鉸發展的影響、樓板內鋼筋的影響、板有效寬度的確定等方面，歸納總結國內外研究現狀，并且對今后的研究方向進行展望。

關鍵詞：框架結構；現澆樓板；強柱弱梁

一、引言

鋼筋混凝土框架結構是工業和民用建筑中常用的結構形式之一。《建筑抗震設計規范》中 6.2.2 條文說明指出，地震作用下框架結構的變形能力與其破壞機制密切相關。“強柱弱梁”屈服機制，屬于整體型結構屈服機制，可使整個框架結構有較大的內力重分布能力，有盡可能多的結構構件參與整體結構抗震，地震能量可分布于所有樓層耗散，耗能能力大，極限層間位移增大，抗震性能較好，是框架結構抗震設計所期望的理想屈服機制。

為了保證現澆鋼筋混凝土結構在地震作用下具有良好的耗能能力，針對“大震不倒”的設防目標，我國現行規范采用了“強柱弱梁”的設計準則。但對1976年的唐山地震中48幢鋼筋混凝土框架結構的震害調查表明[3]，由于現澆樓板與框架梁的共同工作，提高了梁端的受彎承載力，致使破壞大多產生在柱中；凡是沒有樓板的空框架，則裂縫都出現在框架梁中。對我國建國以來最為強烈的“5.12”汶川大地震震害調查亦表明：并未實現設計規范所要求的“強柱弱梁”梁鉸破壞機制，大量的現澆框架結構出現了“強梁弱柱”型柱端破壞的震害，甚至還有節點區破壞的情況。由此可見，現行規范針對“強柱弱梁”設計準則提出的設計方法只能在一定程度上減緩柱端的屈服，并不能真正達到“強柱弱梁”。結合國內外的研究及震害分析可知，造成“強梁弱柱”型破壞形式的一個主要原因在于結構設計中忽略了框架梁端附近現澆樓板對梁端截面抗彎承載力的提高作用。本文僅從樓板對框架梁的剛度和承載力貢獻方面，分析研究其增強作用。

二、現澆樓板對框架梁抗彎承載力和剛度增強作用的影響因素研究

早在20世紀八十年代國內外學者就已經提出樓板對框架梁的抗彎能力具有不可忽視的增強作用，但是該認識始終只停留在定性的層面上，至今為止未能給出考慮現澆樓板對框架梁影響的量化公式。國內外諸多學者對現澆樓板進行了一系列的試驗研究和數值模擬分析，試圖找到并量化樓板的作用，期望通過簡單準確的設計方法將其列入實際的結構設計中來，使得現澆鋼筋混凝土結構能夠較好地實現“強柱弱梁”的破壞機制。目前，多從框架梁剛度放大系數、柱梁抗彎承載力比、節點支座處的實際負彎矩、樓板作用對框架塑性鉸發展的影響、樓板內鋼筋的影響、板有效寬度的確定等方面，對現澆樓板對框架梁抗彎承載力和剛度增強作用的影響因素展開研究。

（一）框架梁剛度放大系數

在進行框架結構計算時，梁、柱的剛度對結構的受力有較大影響，并直接關系到“強柱弱梁”機制能否實現。框架柱的剛度主要與材料的彈性模量及截面尺寸有關，而框架梁的剛度不僅與材料彈性模量和截面尺寸有關，還與現澆樓板的厚度及結構跨度有關。

在結構設計時，通常采用一個剛度放大系數來考慮這些因素的影響，即一般需將中梁和邊梁的剛度按原框架梁矩形截面剛度分別乘2.0 和1.5。這僅僅是對豎向荷載作用下的梁剛度考慮了樓板的增強作用，而對框架現澆樓板內與梁肋平行的鋼筋參與梁端負彎矩承載能力的問題沒有做出明確考慮。實際結構中樓板鋼筋參與框架梁受力的鋼筋很可能超出框架梁自身配筋面積的10 %以上，從而導致《建筑抗震設計規范》規定的“強柱弱梁”要求實際上無法實現。

在結構設計時，一般都是不考慮樓板參與整體計算，大部分情況下是直接將荷載倒算的梁上，而在計算水平荷載（地震與風荷載） 的時候考慮樓板對梁剛度的提高作用，用一個中梁（邊梁） 剛度放大系數來考慮樓板的作用，但計算梁配筋的時候又只考慮矩形截面，這樣一來形成了本來是T形梁承受荷載，鋼筋計算卻完全集中在矩形截面中。考慮樓面影響后，框架梁的計算內力增大，配筋量也增大，這僅考慮了樓板剛度對框架結構內力的影響，對實現“強柱弱梁”無直接關系。

設計規范除了在對框架梁跨中位置以Γ形梁或T形梁形式來考慮樓板對框架梁抗彎剛度帶來的影響外 ，在其他位置都忽略了樓板對梁剛度和強度上的提高，從而大大低估了框架梁的實際抗彎能力，造成了框架梁的“超強”現象。

（二）柱梁抗彎承載力比

為保證“強柱弱梁”設計原則的實現，建筑抗震設計規范根據不同的抗震等級要求梁柱節點處柱端抗彎承載力之和與梁端抗彎承載力之和的比值在1.1～1.7之間。但是大量實際框架結構工程中采用現澆樓板，而設計時往往沒有考慮受壓時樓板翼緣或受拉時樓板鋼筋對梁抗彎承載力的貢獻，影響框架在地震作用下 “強柱弱梁”設計原則的實現。

（三）節點支座處的實際負彎矩

我國規范雖然對豎向荷載作用下梁的剛度考慮了樓板的增強作用，將中梁和邊梁的剛度分別放大2倍和1.5倍，但對框架現澆樓板內與梁肋平行的鋼筋參與梁端負彎矩承載能力的問題沒有做出明確規定。已有試驗和理論研究表明，當梁端承受負彎矩時，現澆樓板將顯著增大梁端截面的抗彎承載力，這對規范中要求的“強柱弱梁”抗震設計原則造成了極大的挑戰。

目前，美國ACI318-02規范[15 ]明確指出驗算框架柱梁強度比時，梁端承載力特別是負彎矩承載力需要考慮有效翼緣寬度范圍內的樓板與梁協同工作，并對各種節點中有效翼緣寬度作了細致規定，在此基礎上進一步考慮柱端彎矩增大系數，以達到“強柱弱梁”的設計目標。

（四）樓板作用對框架塑性鉸發展的影響

學者French等人 收集和總結了各國20個梁-板-柱節點（ 13個中節點、7個端節點）試驗結果，對獲得的數據進行分析后認為，如果將板的有效寬度取為ACI規范規定的有效寬度，則計算出的抗彎強度就將接近于實測的當層間水平位移角為2%時的抗彎強度；French 同時指出，由于板的作用是極其復雜的，它與許多變量有關，而目前所獲得的實驗數據依然非常有限，因此目前對板有效寬度的確定仍然帶有很大的近似性。

三、結語

綜合上述國內外研究可知，深入研究現澆樓板對框架梁的受力影響是改進現行設計方法、更好地實現“強柱弱梁”設計準則的基礎，亟待展開的研究工作如下：

（1）現澆樓板薄膜效應對結構整體受力機理具有較大的影響。因樓板厚度與長度、寬度之間的尺寸差別懸殊，有必要對樓板的薄膜效應帶來的影響進行深入研究。

（2）需對現澆板空間框架模型進行雙向低周反復試驗，考慮板的空間效應和雙向地震力的影響，并對模型進行雙向地震作用下的時程分析，結合試驗結果對其進行綜合評價，以期更加貼近實際情況。

（3）在已有的研究中所采用的試件均為帶樓板的梁柱節點或平面框架，應將具有結構整體作用的空間框架結構作為研究對象進一步研究。

參考文獻

[1]中華人民共和國建設部.GB 50011-2010混凝土抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社， 2010.

[2]葉列平，曲哲，馬千里等. 從汶川地震框架結構震害談“強柱弱梁”屈服機制的實現[J]. 建筑結構，2008，Vol.38（11）：52-59.