現澆鋼筋混凝土樓蓋設計的若干改進探析

孟磊，劉毛方 （安徽省金田建筑設計咨詢有限責任公司，安徽 合肥 230051）

1 現在概述

現澆鋼筋混凝土樓蓋在結構體系中有承受重力荷載、協調傳遞水平荷載、保持結構整體性的重要作用。由于現澆鋼筋混凝土樓蓋整體性好，對各種建筑平面都有較強的適應性，樓蓋開洞靈活，在地震區和使用不受限制且具有較好的經濟指標，是目前工業與民用建筑中適用范圍最廣，應用最多的樓蓋形式。目前通行的結構設計中普遍采用剛性樓板假定+梁剛度放大系數做法，這種做法嚴重偏離了現澆樓板和框架梁的實際受力狀態，所造成的結果是框架梁截面和配筋被明顯放大，實際震害基本都是強梁弱柱，而非設計期望的強柱弱梁，也是對現澆樓板的粗糙模擬主要造成的。但我們都知道折減是靜態，實際震害是動態。按照目前設計方法得到的建筑結構多為“肥梁胖柱”，另外規范對低烈度區柱軸壓比控制較為寬松，多層建筑在強震下的安全性很是存疑，同時框架梁又存在著較大的浪費。作者在工地驗收經常發現，現在設計的梁鋼筋越來越多，而隨著《建筑結構可靠性設計統一標準》（GB50068-2018）荷載分項系數1.3和1.5及即將實施的《工程結構通用規范》荷載取值的調整，梁的配筋率又會相應增大，但總體柱和剪力墻配筋變化較小，更加會引起強梁弱柱的破壞模式。另一個因素是業主和建筑師總是要求柱子截面越小越好，并且鋼筋還不能多加，尺寸也沒有商量余地，從歷次震害調研結果看，倒塌框架的廢墟中可以發現細細的柱子，框架柱截面太小，直接的結果是柱頭壓碎和底層柱壓塌。

華南理工大學韓小雷教授團隊近年的足尺結構試驗發現：①現澆樓蓋梁支座正截面承載力試驗值是規范計算值（用材料強度平均值算）的3～5倍。②框架梁縱筋配筋率大于0.9%就發生界限破壞，即鋼筋未屈服，混凝土壓碎。說明現在的大多數樓蓋梁端都將脆性破壞，沒有延性可言。從結構的角度看，在樓蓋脆性破壞之前，大軸壓比柱很可能已發生小偏壓脆性破壞。因此現澆樓蓋梁承載力問題亟待解決，本文拋磚引玉，希望學界及工程界提出更符合實際的計算理論和方法，保障人民生命財產安全。

圖1 典型震害及實景照片

2 問題探討

歷次震害調查發現，現澆鋼筋混凝土多高層建筑結構在大震作用下的破壞受損甚至倒塌主要表現在柱、墻脆性剪切破壞或壓曲破壞，但此時的現澆樓蓋框架梁正截面裂縫鋼筋未見屈服，未形成塑性鉸，這也與實驗室結果相近?，F澆鋼筋混凝土樓蓋巨大的卸荷及增強效應，使按桿系模型設計的框架梁支座受彎，承載力有較大安全儲備。當大震發生時，框架梁連同現澆樓板面內外承載力的客觀存在，使得梁塑性鉸很難出現，實際形成“強樓蓋弱墻柱”結構，而抗震設計的基本理念之一是“強柱弱梁”。強柱弱梁普遍未能實現主要有以下原因。

①結構設計時，在進行建筑結構整體分析時，典型的假定荷載傳遞路徑：板→梁→墻柱。而實際上，現澆混凝土梁板結構有一部分荷載通過板直接傳給了墻柱。這樣根據假定算出來的框架梁彎矩是個“假彎矩”，與實際情況有差別。由于樓板的作用，對于框架梁來說，其截面形式為T形梁，而非矩形梁，T形梁翼板內的板筋對框架梁抗彎承載力提高起到很大作用。以上兩方面的作用，框架梁的鋼筋按目前計算結果的抗彎承載能力大大超過其實際承擔的設計彎矩。

②設計人員超配梁鋼筋又起到推高作用：結構設計人員實配鋼筋比計算結果有所放大。作者在校審圖紙時經常看到有的支座配筋是計算值的1.5～2倍，另外梁為了通過裂縫寬度驗算，又大大加大梁的配筋。作者認為可按《全國民用建筑工程設計技術措施結構》(混凝土結構)2009第2.6.5條執行裂縫寬度驗算，因為按裂縫寬度計算增加梁配筋，對整個結構的安全度沒有好處，如確需要加大梁配筋，相應的柱截面和配筋也需加大。

③現有鋼筋混凝土構件極限承載力設計方法的問題：三個前提基本假定，平截面假定、不考慮混凝土的抗拉強度假定和混凝土受壓理想彈塑性的假定。平截面假定和混凝土不受拉假定基本能滿足工程需要，但混凝土受壓理想彈塑性（以得到受壓區高度內應力矩形分布）；根據線彈性內力和上述理想化承載力得到構件配筋，在小震、中震、大震下是否達到承載力、延性、耗能性能目標（或不過于浪費）存疑。

④當前的軟件對剛度放大的計算默認梁板是中對中的模型，梁采用桿單元模擬，實際計算模型梁板關系如圖2所示，梁板中性軸同一位置，仍然無法考慮板作為梁翼緣的影響結構設計中，剛度系數不僅僅是反映有效翼緣，而且反映由于計算模型和實際工程模型引起的剛度計算的偏差，并且這個偏差占了絕大部分。

圖2 計算模型

圖3 實際模型

3 改進方案

目前作者所遇到梁的設計出圖項目均采用圖4的配筋模式：負筋均在梁寬范圍內布置，如一排不能布置就二排，更有甚者三排、四排也時有出現，規范和國標圖集16G101-1就是如此規定。但“向來如此，便對嗎”？——魯迅。為此孫芳垂在《建筑結構設計優化案例分析》一書中就提出了圖5的配筋模式，而現行行業標準《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ149-2017）第5.1.8條明文規定梁縱筋不宜全部布在梁肋內，同時此筋可作為樓板抗彎鋼筋使用：對于樓板與梁整體澆筑的異形柱框架，通過增大框架梁的彎曲剛度來考慮樓板作用，在進行梁的內力分析和配筋時，不宜將梁端截面上部縱筋全部配置在梁(肋)矩形截面內，而應將其部分縱筋配置在梁側有效翼緣寬度范圍的樓板內。條文說明給出了具體實施方法：抗震分析和模擬計算表明，目前的工程做法將梁端截面上部縱筋全部配置在梁肋內，梁側樓板再另行配筋，實際上增大了梁的受彎承載力，是造成地震時柱先于梁破壞的主要原因之一。因此，要求對于樓板與梁整體澆筑的結構，通過增大梁彎曲剛度考慮樓板作用，計算得到梁端上部縱筋不要全部配置在梁肋內，應將部分梁端上部縱筋配置在梁側有效翼緣范圍的樓板內，該部分鋼筋也做為樓板抗彎鋼筋使用。一般情況，梁的有效翼緣寬度可取梁兩側各6倍板厚的范圍?？拐鹪O計時，對于二級抗震等級框架結構，該部分縱筋占梁端截面上部縱筋總量的比例宜取為30%(邊梁15%)、對三、四級抗震等級宜取為40%(邊梁20%)；對于框架—剪力墻結構的框架該比例可適當減小。關于異形柱框架梁配筋的要求，作者比較認同在所有現澆混凝土樓蓋中采用，目前框架梁加固設計的方法也是按此思路進行。

圖4 配筋模式1

圖5 配筋模式2

為了保證強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件的抗震設計概念要求，設計中在采取上述方式時，建議同時提出以下改進方案：

①實配柱縱筋和箍筋時，需考慮梁翼緣板的作用和梁裂縫寬度驗算或人為超配而增加梁縱筋的影響。柱增加的單向縱筋和箍筋可按以下簡化計算確定。

柱增加的單邊縱筋：

柱增加的箍筋：

然而當三電平逆變器出現復雜故障時,如出現Sa2、Sc3故障或Sa3、Sc2等故障時,相電壓輸出波形就比較復雜,不僅造成故障相的輸出相電壓波形產生畸變,而且非故障相的輸出相電壓波形也隨之發生畸變,在這種情況下就不能僅僅依靠觀察輸出波形來確定故障具體結果。

其中：

Agc——驗算裂縫寬度或考慮梁翼緣板增加的鋼筋；

fby——梁縱向鋼筋的強度設計值；

fcy——柱縱向鋼筋的強度設計值；

fyv——柱箍筋的強度設計值；

h0b——梁截面有效高度；

h0c——柱截面有效高度；

H——柱的凈高。

②對于大跨度的框架結構，宜適當加大框架柱截面，框架柱的線剛度建議不宜小于框架梁的線剛度的1.1倍。

③加大框架柱的最小截面，且須滿足梁鋼筋的水平錨固的要求。我國規范規定的高跨比下限1／18，國外此規范要嚴，可參照《高層建筑混凝土結構技術規程》6.3.1條文說明中，國外規范規定的框架梁高跨比適當放寬框架梁截面高跨比。

④框架柱縱向鋼筋的最小配筋率，應比《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）規定的最小配筋率有所提高，框架柱縱向鋼筋直徑宜≥16mm。

4 結語

為了保證強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件的抗震設計概念要求，針對現澆混凝土樓蓋體系的理論研究和設計方法需加以完善。

①現澆鋼筋混凝土樓蓋翼緣對梁剛度和承載力影響很大，現有的設計情況很難滿足強柱弱梁的抗震概念設計要求。

②《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ149-2017）對梁鋼筋布置提出了更合理的要求，可惜實際設計和施工中沒有人這樣做，多次震害已經表明，梁配筋富裕量偏大；如果把部分縱筋布置在梁肋外同時替代樓板鋼筋，可減少鋼筋過密，提高混凝土澆筑質量，還可以節省材料，起到強柱弱梁有力作用。

③對現澆鋼筋混凝土樓蓋體系框架柱配筋、截面及剛度均需相應提高，框架梁截面可相應減少。

④解決現澆混凝土樓蓋梁承載力、滯回特性和裂縫計算等混凝土基本理論的基礎性研究。