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强震作用下现浇RC楼板对框架结构破坏形态影响的研究

王素裹  
【摘要】:针对保证现浇钢筋混凝土空间框架结构“大震不倒”的设防目标,现行规范提出了“强柱弱梁”的设计准则。由于实际框架中纵向梁抗弯承载能力的“超强”,抗震规范对于现浇钢筋混凝土框架结构“强柱弱梁”设计准则的规定,只能在一定程度上减缓柱端的屈服,并不能真正实现该准则。目前,在现浇楼板对纵向梁抗弯能力参与作用这一方面的研究工作,主要还处于定性的层面上,一直未能得到充分的量化。 为了能够明确现浇楼板对纵向梁抗弯承载能力的影响方式,给出现浇楼板中起作用的板筋数量的计算方法,进一步提出改进设计建议,使得现浇钢筋混凝土空间框架结构“大震不倒”的设防目标能够更好地实现,本文在以往相关研究的基础上,从试验研究、数值模拟、构件力学性能和主要影响因素分析等几个方面进行了系统的研究。本文的主要工作和结论如下: 1.根据梁板结构的受力特点,进行了两个现浇钢筋混凝土空间框架结构在竖向荷载作用下的试验研究,每个试件分别采用以下四种计算模型进行配筋:纯杆模型、杆壳模型、实体模型、调整优化模型。考察了现浇钢筋混凝土空间框架结构中框架梁的实际承载能力,并对其“超强”的原因进行了探讨。试验结果表明:(1)根据现行设计方法采用的计算模型(纯杆模型或杆壳模型)进行内力计算得到的配筋方案不能使塑性铰先在梁端形成。(2)通过实体模型进行内力计算得到的配筋方案所对应的结构破坏形态较为理想、更能实现梁铰屈服机制。(3)现浇楼板在纵向梁抗弯能力中的参与作用不容忽视,在设计过程中应予以考虑。(4)在整体结构中,因现浇楼板的参与作用,横向框架梁除了承受弯矩之外还要承受与之整浇的楼板传来的扭矩,并且边梁的扭矩大于内梁的扭矩,边梁的抗扭刚度需求大于内梁的抗扭刚度需求。 2.采用有限元软件ABAQUS对试件进行了非线性分析,结果表明:(1)模拟结果和试验结果吻合良好,验证了所采用的有限元模型和模拟方法的准确性,从而使得采用该模拟方法进行后续拓展研究具备了有效性和可行性。(2)纵向框架梁矩形截面内除了存在弯矩之外,还存在着轴力,该轴力的产生原因在于与之相连的现浇楼板参与了纵向梁的抗弯作用。(3)轴力在纵向框架梁端呈现为轴压力、在跨中呈现为轴拉力,数值沿着纵向框架梁跨方向呈不均匀分布,轴力的数值随着竖向荷载的增加而增大。 3.进行了侧向荷载作用下带楼板空间框架结构与不带楼板的空框架结构的对比,进行了不同轴压比下带楼板空间框架结构的对比,通过对比得出:(1)现浇楼板的存在大大减缓了塑性铰在梁端形成并充分发展的过程。(2)现浇楼板中楼板钢筋的参与程度随着侧移值的增大而增大,当侧向位移增加到层间位移角限值1/50后,参与作用的楼板钢筋数量增加幅度开始减缓,并逐渐趋于一个固定值。(3)板筋在框架梁的抗弯作用中的参与程度随着轴压比的减小而增大。(4)影响板筋参与框架梁抗弯作用的主要因素有:侧向位移、现浇楼板的配筋率、轴压比和节点类型。 4.针对能否实现“强柱弱梁”的疑问,进行了侧向荷载作用下、不同轴压比和不同梁端配筋的现浇钢筋混凝土框架结构的有限元模拟,研究了9种典型情况下框架结构“强柱弱梁”的实现情况,比较了通过变化柱截面来调整轴压比和调整纵向梁矩形截面内配筋面积这两种方法对增加结构延性、改变结构破坏形态上的效果。研究表明:(1)若对框架结构进行合理的设计,“强柱弱梁”的设计准则能够得以实现。(2)下调纵向梁矩形截面内配筋面积的方法并不能有效地实现“强柱弱梁”,通过变化柱截面来调整轴压比的方法才是最为有效的方式。(3)当轴压比从0.9降为0.6时,结构延性提高的幅度为31.5%左右;轴压比从0.9降为0.3时,结构延性提高的幅度为55.0%左右;轴压比从0.6降为0.3时,结构延性提高的幅度为17.9%左右。 5.详细分析了板筋在纵向梁端抗弯作用的参与方式。分析表明:在纵向梁端抗负弯矩中,板面钢筋能够参与作用的最大极限是约0.50倍横向梁净跨(外节点)和1.0倍横向梁净跨(内节点)上的钢筋数量,而板底钢筋能够参与作用的最大极限是约0.32倍横向梁净跨(外节点)和0.70倍横向梁净跨(内节点)上的钢筋数量。 6.提出采用纵向梁“抗弯储备”来描述现浇楼板能够参与梁端抗弯作用的最大极限,用纵向梁“抗弯储备使用率”来表达结构对应某个侧移值时楼板实际参与的程度。分析表明:(1)当横向梁净跨、楼板厚度和楼板内的配筋情况固定时,同一节点处、不同轴压比对应的钢筋混凝土框架结构的纵向梁“抗弯储备”是相等的,区别在于达到相同侧向位移时纵向梁“抗弯储备”的使用率。(2)纵向梁两侧均与现浇楼板相连的中间榀框架的纵向梁“抗弯储备”大于单侧与现浇楼板相连的边榀框架。(3)中间节点处纵向梁“抗弯储备”使用率比边节点的小,即中间节点的纵向梁端比边节点的纵向梁端更难出现梁端塑性铰。(4)为实现“强柱弱梁”,同一节点处柱端的实际承载力之和要始终大于纵向梁的实际承载能力与对应该侧移时需要发挥出的一定比例的纵向梁“抗弯储备”之和。 7.定量给出了用来衡量现浇楼板在纵向梁端抗弯中参与程度的有效翼缘宽度值的准确计算方法,并在此基础上,给出了方便结构设计、强震对应的层间位移角限值1/50时的简化计算公式。 8.结合现有规范的相关条文,提出考虑了现浇楼板内板筋对纵向梁抗弯能力的影响后的改进设计建议,使得结构的“大震不倒”设防目标进一步得到了保证。并通过算例证明本设计建议的可行性。


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