090114对我国现行规范多层结构中框架柱抗震构造措施的讨论.doc

对我国现行规范多层框架结构中框架柱抗震构造措施的讨论摘要：汶川大地震较好地检验了我国现行抗震设计规范的合理性，从震害现象中发现，现行抗震设计规范不能很好地实现预期的抗震设计目标，大部分多层框架结构的破坏都发生在柱端、底层柱破坏普遍严重，且边柱相对中柱破坏严重，从而引起我们对现行抗震设计规范的部分抗震措施的合理性的质疑。本文以实际震害为基础，主要针对柱的最大轴压比、最小配箍率和最小配筋率等方面进行讨论，并通过与国外规范进行比较，从中发现我国现行抗震设计规范存在不足。关键词：框架柱；轴压比；配箍率；配筋率；对比；震害；现行规范中图分类号：TU375.3 文献标识码：A20.前言抗震与非抗震结构在结构设计上有许多不同之处，其根本区别在于非抗震结构在外荷载作用下结构处于弹性状态或仅有微小裂缝，构件设计主要是满足承载力（强度）要求，即“作用”与“抗力”的关系；而抗震结构在地震作用下，部分构件将进入塑性变形状态，除了满足强度要求外，还要具有足够的变形能力（耗能能力）以及在强震下结构不倒塌，结构的能力通常是用变形量来衡量，即“所需求的变形”和“所能提供的变形能力”之间的关系；在地震作用下要满足所需求的变形，这就要求抗震结构设计成延性结构，即其构件应有足够的延性。结构抗震的本质就是延性，提高延性可以增加结构抗震潜力，增强结构抗倒塌能力，而结构在地震作用下的延性要求是通过各种抗震措施来保证的。1 框架柱抗震措施的重要性柱是框架结构中的竖向构件，地震作用下柱的破坏比梁的破坏更容易引起框架结构的倒塌，梁的破坏影响可能是局部的，而柱破坏的影响是大范围的，柱在结构中的作用比梁显得更为重要。柱由于有轴力的作用，其延性性能明显比梁差，对于钢筋混凝土框架结构，通常按照“强柱弱梁”的设计理念进行设计，以使地震作用下塑性铰尽可能先在梁端充分发展。为了能达到预期目标，保证地震作用下柱的延性是至关重要的，柱延性的影响因素主要有柱的剪跨比、轴压比、配箍量和剪压比。 1.1 最大轴压比的规定钢筋混凝土柱正截面破坏分为大偏心受压破坏和小偏心受压破坏两大类，前者为逐渐的，有明显预告的塑性破坏，而后者为突然的、无预告的脆性破坏。因此，抗震设计时，除了预计不可能进入屈服的柱外，通常希望柱子处于大偏心受弯破坏状态，这就必须把截面的受力状态控制在离大、小偏压分界状态还留有一定距离的大偏压受压状态，因此就要控制截面的轴压力不能过大。为了实现柱的大偏心受压破坏，确保框架结构在地震作用下的安全可靠，各国抗震设计规范都规定了框架柱轴压比的限值。框架柱的轴压比是影响其变形性能和破坏形态的主要因素之一，限制轴压比是为了保证框架柱在大偏压状态下破坏以满足延性要求。轴压比限值与多种因素相关，主要有抗震等级、结构型式、约束效果等因素有关。改进箍筋构造，设置芯筋及选择抗震两道防线的结构形式等，即可以增加轴压比限值3。在进行多层抗震框架结构设计时，底层框架柱的截面尺寸是由最大轴压比起控制作用，由于轴压比限值较松，导致较小的框架柱截面就能满足要求，通常底部几层框架柱轴压力已基本接近于限值，由于施工质量等原因，在地震中还可能出现超过界限轴力，导致柱抗弯承载力的降低2。而框架梁的截面尺寸与结构高度没有关系，主要是和结构跨度有关，为了满足大空间，框架梁跨度就比较大，就要求框架梁具有足够的高度，导致梁柱线刚度比小，难于实现“强柱弱梁”的机制。文献2还指出，震害调查中，柱端塑性铰大多是混凝土压坏现象,有混凝土强度低的问题，同时认为现行规范的轴压比限值偏大，设计时应适当降低轴压比。1.2 柱最小配筋率和最小体积配箍率框架柱的箍筋有三个作用：抵抗剪力、对混凝提供约束、防止纵筋压屈。其中箍筋对混凝土的约束是提高混凝土极限压应变，从而改善混凝土延性性能的主要措施。抗震设计时，为了保证柱的延性，柱内箍筋除满足抗剪承载力要求外，也要满足在一定轴压比下体积配箍率的要求，同时还要满足不超过最大允许间距和最小直径的构造要求。为了保障结构在地震作用下的安全和防止倒塌的发生，在设计和建设过程中保证结构具有良好的延性性能，已经成为各国抗震设计规范制定的共识国内外许多试验结果都表明，提高箍筋的强度，能对混凝土有较好的约束作用；同时，柱的混凝土强度越高，对箍筋的约束要求也越高。因此规范采用箍筋的配箍特征值的做法，以适应钢筋和混凝土强度的变化，更合理地采用较高强度的钢筋；同时，为了避免计算所得的配筋率过低，还对定了柱最小体积配箍率。柱的最小体积配箍率是体现柱端加密区箍筋对砼的约束作用。规范所提出的估计最小配箍特征值，除与柱抗震等级和轴压比有关，还与箍筋形式有关。规范规定受压构件最小配筋率的目的是改善其脆性特征，避免混凝土突然压溃，并使受压构件具有必要的刚度和抗偶然偏心作用的能力5。根据工程经验和试验研究结果，一般认为受压构件配置最低数量受压纵向钢筋主要是为了在压力持续作用下一定数量的纵向钢筋与混凝土共同受压时，能适度减小混凝土的徐变量，降低混凝土在长期压力下压溃的风险；一定数量的纵向钢筋并配合以一定数量的箍筋，能对受压混凝土形成一定的约束，从而使其失效不致过于突然。柱纵向钢筋最小配筋率在低烈度区实际上已成为引导抗震结构形成更为有利的塑性铰机构和保证框架抗震延性性能的重要构造措施之一7。2 国内外规范对比2.1轴压比限值对比各国轴压比限制见表1，与国外规范相比，我国规定的轴压比限制与国外规范相当。表1 各国规范轴压比限值对比6规范名称轴压比限值混凝土抗压强度设计值美国 UBC97 ACI318-05未明确规定轴压比要求，从柱受压承载力计算公式显示出当柱配筋率为1%4%时，轴压比为0.530.70fc新西兰 DZ3101 1994延性框架 配筋率1% 轴压比：0.53有限延性框架 配筋率1% 轴压比：0.73fc欧洲 EurocodeDC"H"：0.34 DC"M"：0.44 DC"L"：0.51fc日本 AIJ以变形能力0.02为标准 一般构造箍筋0.33特殊约束箍筋0.330.67Fcfc中国 GB50010-2002一级 二级 三级 （0.7） （0.8） （0.9） 0.39 0.45 0.51（）按fc fc'1.78fc2 配筋率、配箍率对比表2和表3给出了我国规范与ACI318-05关于柱构造要求的对比结果。从表2可以看出，关于加密区的最大箍筋直径，我国规范一级抗震等级的规定与ACI318-05的高延性等级相当，美国规范规定的箍筋的最小直径明显高于我国规范，且美国规范规定的箍筋约束效果更好。虽从表中可以看出，我国规定的箍筋肢距比美国规范要求严格，但实际上美国规范规定的箍筋肢距完全不起控制作用。表3中GB50011-2001对应的柱体积配箍率的结果是以轴压比为0.7计算的。从表3中可以看出，我国规范的一级抗震的等级的中柱和边柱，其纵筋的最小配筋率与ACI318-05的高延性等级相当，二级以上都比ACI偏小；柱箍筋的体积配箍率，我国规范的规定明显低于ACI，ACI规定的值大部分达到我国规范规定值的1.5倍。美国规范是通过较高的配箍要求来避免高强混凝土的脆性破坏,并使得高强混凝土的强度得到充分利用。2表2 中美规范柱加密区箍筋构造要求对比加密区箍筋构造规定ACI318-05GB 50011-2001高延性中、低延性一级二级三级四级间距(mm)最大间距取所有值中的较小值(1) 0.25bmin; (2)6db; (3) 100+(350-hx)/3; (4) 152(1) bmin; (2) 16db; (3)48d; (4)0.5h0(1)6db; (2)100 (1)8db; (2)100 (1)8db; (2)150(柱根100)(1)8db; (2)150(柱根100)最小值102100100100100最小直径(mm)(1)当db32mm,d10mm; (2)db=36mm,43mm,57mm, d13mm(1)当db32mm,d10mm; (2)db=36mm,43mm,57mm,d13mm10886(柱根8)肢距(mm)356200250和20dmin二者较小值250和20dmin二者较小值300每根角筋和间隔一根纵筋都应由具有内折角不超过135°的一般箍筋提供侧向支点。每隔一根纵向钢筋，宜在两个方向有箍筋或拉筋约束，当采用拉筋时，拉筋宜紧靠纵筋并拉住封闭箍筋。表中：bmin-构件的最小截面尺寸；db -纵筋直径； dmin-最小箍筋直径；hx -箍筋的最大肢距。表3 中美规范柱加密区最小配筋率、配箍率对比钢筋强度等级HPB235HRB400GB混凝土等级C30C35C40C45C50C60C30C35C40C45C50C60fc(N/mm2)14.316.7 19.1 21.1 23.1 27.5 14.3 16.7 19.1 21.1 23.1 27.5 ft(N/mm2)1.43 1.57 1.71 1.80 1.89 2.04 1.43 1.57 1.71 1.80 1.89 2.04 ACIfc'(N/mm2)25.329.4 33.537.641.649.825.3 29.4 33.537.6 41.6 49.8 fy(N/ mm2)235400纵筋配筋率(%)最小值GB中、边柱一级 1.0；二级0.8；三级0.7；四级0.6角柱一级 1.2；二级1.0；三级0.9；四级0.8ACI1.00 （1.00）最大值GB5.00 ACI6.00（8.00）体积配箍率 smin (%)GB一级1.35 1.35 1.55 1.71 1.87 2.23 0.79 0.79 0.90 1.00 1.09 1.30 二级1.19 1.19 1.36 1.51 1.65 1.96 0.70 0.70 0.80 0.88 0.96 1.15 三级1.03 1.03 1.18 1.31 1.43 1.70 0.60 0.60 0.69 0.76 0.83 0.99 ACI 抗震1.942.252.562.883.193.811.141.321.511.691.872.24表中：GB-表示GB 50011-2001，ACI表示-ACI318-05，（）内对应的数值适用于ACI318-05的低延性和中延性等级的框架。表4 实际截面配箍率对比柱截面尺寸(mm)最小配箍率%（C50）最小配箍率%（C60）ACI318-05GB-2001ACI318-05GB-2001面积体积体积面积体积体积750×7500.9061.93 1.04 1.0822.34 1.24 800×8002.15 2.19 850×8502.04 2.35 650×8502.21 2.24 900×9001.89 2.23 1000×10001.99 2.27 1100×15001.94 2.28 1300×15001.88 2.27 1300×13001.92 2.30 表4以美国规范的钢筋材料60级为箍筋，规定的钢筋屈服强度（类似于我国的钢筋强度标准值）fy=413.68MPa计算实际的几种截面的配箍率，两国规范进行对比，从表中可以看出，美国规范规定的配箍率的最小值明显高于我国规范规定的值，有些甚至比我国规范高于1倍，从而可以看出我国规范规定的柱最小体积配箍率明显偏低。（表3和表4实质是一样的，只保留一个）4.震害分析4.1 主要震害此次汶川大地震的主要震害现象表现为：几乎没有看到抗震设计规范预期的“强柱弱梁”破坏机制，而大部分框架主体结构的破坏都发生柱端，梁端发生破坏的情况很少。柱子的主要破坏现象为：底层柱普遍破坏严重、柱端出现塑性铰甚至整个结构倒塌、短柱剪切破坏、。产生这些破坏现象的主要原因有：(1) 现行规范规定的柱最小配筋率、最小配箍率偏低，箍筋对混凝土以及纵筋没有形成很好的约束，导致柱端纵筋压屈，混凝土压碎；(2) 现行规范规定的柱轴压比限值控制过松，而地震区多层建筑的框架柱的截面尺寸由轴压比控制，多层结构层数不多，轴压力不大，导致柱截面过小，但框架梁的截面与层数无关，仅和跨度有关，为了满足建筑上大空间的要求采用了大跨度，从而导致梁截面较大，形成了“瘦柱胖梁”的现象；(3)现浇楼板以及填充墙对框架梁刚度的贡献使得在实际地震作用下框架梁的实际抗弯能力明显强于经“强柱弱梁”措施调整后的柱，形成了“强梁弱柱”的现象，这样框架柱成了主要的耗能构件，整个结构延性差，在地震作用下易发生柱子的破坏； (4)为满足建筑功能要求，建筑底部通常为大开间，而上部楼层为了分隔房间填充墙数量较多，形成了“下柔上刚”的结构，导致底部柱子破坏严重，甚至倒塌；(5)为满足个性化需要，部分结构在室内形成了整体错层，导致了在结构的同一层中长柱和短柱共同工作，而短柱的相对刚度大，吸收的地震力，剪跨比小，从而发生剪切破坏；(6)柱子施工缝一般设置在柱上端的梁下边缘处，此处弯矩和剪力较大，再加上施工缝处理不当很可能在此处发生破坏，另外，施工过程中柱下端混凝土振捣不充分，导致柱端混凝土浇筑不密实；从震害中发现，边柱比中柱破坏严重，容易造成整个结构的倾斜甚至倒塌，因此从防倒塌的角度应提高边柱的设防水准。但我国规范对边柱和中柱没有区别对待，这点值得重视。4.2实例分析以都江堰某实际工程为例，该项目分为4种类型，分别为公寓楼，叠拼、联排和独栋，均为框架结构，该工程设计时是按7度0.1g设计的。其中公寓楼共6层，总高16.70m，现浇坡屋面，一楼作为停车库，仅在楼梯间四周有填充墙，其他部位空旷，上部各层几乎所有的框架梁上都有填充墙，纵向填充墙的数量较多，较密集，从而形成了“下柔上刚”的结构。在此次汶川大地震中，该建筑几乎底层所有柱端都出现了塑性铰，而上部各层破坏及其轻微，仅少数填充墙出现了裂缝。公寓楼柱的平面布置图和震后情况分别如图1和图2所示。图1 柱平面布置图 图2 底层柱整体破坏图图3(a)给给出了该项目中几栋楼（图中1、2、3、4表示四种结构）底层柱全截面配筋率与规范规定的最小配筋率进行对比，从图中可以看出，所有柱子的配筋率都大于规范规定的最小值；图3(b)给出了这些底层柱的加密区体积配箍率和规范下限值对比，其中规范限值是以一级、二级、三级抗震等级规定的轴压比限值0.7、0.8、0.9，普通箍、复合箍为基础进行计算的（配箍特征值均为0.17），所分析的所有柱有74%的柱配箍率大于规范规定的值，但在本次地震中底层几乎所有柱端都出现了塑性铰，钢筋压屈和外鼓，箍筋对纵筋未形成很好的约束作用，这说明规范规定的柱最小配筋率和最小配箍率偏小。 （a）柱纵向配筋率 （b）柱体积配箍率图3 各结构底层柱纵筋配筋率、配箍率与我国规范规定对比四、主要结论从本文分析和震害结果可以看出，我国现行规范不能很好地实现预期的抗震设计目标，这说明现行规范存在一些不足。因此，必要提高我国现行抗震设计规范中框架柱的最小配筋率、最小配箍率，降低框架柱的轴压比要求。最近用PKPM计算上的时候，老是觉得计算结果中的轴压比的数值有点问题，比自己预计的要小不少，一直不太明白，今天手算了一下，发现PKPM的 计算值比手算值大约小30左右，估计程序是按混凝土轴向抗压标准值计算的，于是用该值计算了一下，果然如此，如果不注意的话，很容易被程序给骗了，比如 正确的轴压比是0.8，按轴向抗压标准值计算的结果是0.56，让你看起来很不错。   （后记说明：在仔细检查了以后发现，pkpm计算时如果采用中、强震屈服计算选项时，计算结果采用标准值，要想获得正确轴压比，将这个选项去掉。不是结果不正常。）    因为觉得结果不太正常，所以仔细的看了几遍轴压比的定义，看后发点小意见。    抗震规范上写的是：     柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值；可不进行地震作用计算的结构，取无地震作用组合的轴力设计值。     混凝土规范里则是：     考虑地震作用组合的框架柱和框支柱轴向力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值；可不进行地震作用计算的结构，取无地震作用组合的轴力设计值。     高层规范里则是：    考虑地震作用组合的框架柱和框支柱轴向力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值。     从这三个规范的写法上来看，我们国家的规范写的真是不严谨（相比规范是强制性文件），比如抗震规范第一句竟然不提是地震作用组合，也可能觉得这是抗震规范，当然就是指地震作用组合，何必要说？相比较而言混凝土规范写的要好一些。    除此之外，这三个规范都提到“无地震作用组合的轴力设计值”，如果你不是特别在意它的含义的话，一般都会理解为基本组合设计值，这是没错的，但是翻翻荷载 规范就可以知道，所有的荷载效应组合后得到的值都是设计值，这就是我们国家规范的不严谨性，而且这一术语在各个规范里都可以看到，除此之外还有很多老的名 词不时出现在规范里。    这说远了，自己明白就行了，接着说轴压比的问题，因为是在北京作设计，基本上都是八度抗震，所以无地震作用 组合的情况没有遇到过，因此就胡思乱想了一下，地震作用组合简单的表达为：1.2（永久荷载+0.5可变荷载）+1.3地震作用，无地震作用组合简单表达 为：1.2永久荷载+1.4可变荷载，因为没有地震作用，前一个计算值应该小于后一个计算值，如果作高层的话，风荷载会起控制作用，那么是否会发生这样一 个问题，无地震作用组合的框架柱的截面要大于相同建筑地震作用组合的截面？会不会发生？    当然无地震作用组合的框架柱轴压比限制比较低，三级抗震比二级抗震高0.1，比一级高0.2，还是比较可观的数字，可能不会这种问题，今天想不明白了，改天建个模型对比一下。