李慧林

【摘 要】論文對無地下室、采用獨立基礎(chǔ)的現(xiàn)澆的框架結(jié)構(gòu)的分析模型中框架層數(shù)與嵌固位置的確定方法進行了比較與參數(shù)計算分析，建議底嵌固于室內(nèi)地面的模型進行整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算與配筋，拉梁以下框架柱的配筋與首層柱底截面配筋相同的處理辦法，不僅可以滿足安全性要求，而且還能更好地體現(xiàn)強柱弱梁的抗震設(shè)計理念。

【關(guān)鍵詞】框架結(jié)構(gòu);計算模型;嵌固位置;層數(shù)

【中圖分類號】TU973? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）01-0161-04

1 問題提出

多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是最普遍采用的一種結(jié)構(gòu)形式?？蚣芙Y(jié)構(gòu)一般體型比較規(guī)則，在沒有引入計算機輔助分析之前，通常會將其平面外的剛度忽略。平面框架中，如果它只在自身平面內(nèi)有抗側(cè)剛度，只能承受自身平面的荷載，在進行相應(yīng)的計算時，應(yīng)將空間框架結(jié)構(gòu)進行分解，分解成不同方向的平面框架。在計算的過程中，平面框架的不同位置取值不同，具體來說，一般梁柱是以截面幾何中心的連線為軸線;框架梁是以兩端相連柱軸線間的距離為計算跨度;一般框架柱的計算高層取各層層高，但底層柱較為特殊，一般假設(shè)柱底端是嵌固的，取值是從底層柱的下端點取至基礎(chǔ)頂面。當框架結(jié)構(gòu)沒有地下室且采用獨立基礎(chǔ)時，基礎(chǔ)有一定的埋置深度，特別當?shù)鼗休d力有限或選擇的持力層較深時，北方有防凍要求地區(qū)必須考慮地基土的凍脹影響，基礎(chǔ)有最小埋置深度要求。在框架柱基礎(chǔ)之間一般設(shè)置基礎(chǔ)拉梁，不僅增加基礎(chǔ)的整體性，同時，基礎(chǔ)梁還作為外圍護墻與內(nèi)分割墻的基礎(chǔ)，承擔其重量并通過框架柱傳遞到地基。因計算機分析手段的不斷普及與提升，被應(yīng)用于各行各業(yè)當中，包括對結(jié)構(gòu)受力的分析。隨著對結(jié)構(gòu)抗震性能要求的不斷提高，需要更加精細的結(jié)構(gòu)受力分析，因此，如何選取適宜的框架結(jié)構(gòu)的計算模型就十分重要，其關(guān)系到分析結(jié)果的準確性。針對上述問題，工程設(shè)計人員需要仔細考慮，事實上這中間還需要考慮很多問題，例如，梁柱單元節(jié)點區(qū)在分析模型中如何模擬、構(gòu)件間連接剛度的模擬等等，本文主要討論框架結(jié)構(gòu)整體計算時嵌固端的取法。

2 國家建筑標準圖集的建議

對于多層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架，關(guān)于其抗震計算分析時嵌固端的取法，存在不同的取法：一種為嵌固端取在剛性獨立基礎(chǔ)上表面，結(jié)構(gòu)分析計算模型中首層框架梁的層高取基礎(chǔ)上表面到首層樓板，根據(jù)具體情況考慮回填土的側(cè)限作用;另一種是從基礎(chǔ)拉梁上表面算起到首層樓板，由于地基承載力不同，而且北方冬天需要考慮防凍，基礎(chǔ)埋置深度差異較大，使得結(jié)構(gòu)的計算模型也存在較大的差異，給結(jié)構(gòu)計算周期及首層層間位移角的結(jié)果造成了一定的影響。關(guān)于上述情況，國家建筑標準設(shè)計相關(guān)圖集將其作為一個常見問題提出來了，即在多層框架結(jié)構(gòu)中為了達到抗震設(shè)計要求常常采用獨立基礎(chǔ)，在室外地面以下靠近地面處設(shè)置拉梁層時，結(jié)構(gòu)整體體積模型選取的不是很恰當。同時《圖集》中也對其原因進行了相應(yīng)分析，即當多層框架結(jié)構(gòu)為室外地面以下靠近地面處設(shè)置拉梁時，在計算整體抗震時只假定上部結(jié)構(gòu)嵌固在梁頂面處，僅進行一次性整體計算是不太合理的，這種方法對底層柱在拉梁頂面以上的配筋來說比較合理，但對其他的配筋可能存在不合理，如底層頂板框架梁的配筋、底層拉梁的配筋以及拉梁層以下基礎(chǔ)頂面以上框架柱的配筋等。因此，要多方面考慮，因為柱的真正嵌固是在基礎(chǔ)頂面。針對上述問題，具有建議性的改進措施是：在一次性整體計算的基礎(chǔ)上，再補充一次結(jié)構(gòu)整體計算。具體方法為：假定上部結(jié)構(gòu)嵌固于基礎(chǔ)頂面，將拉梁層設(shè)置為一層進行相應(yīng)的計算。多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)置室外地面附近的拉梁后，其中的回填土會對其起到約束的作用?；靥钔恋南鄬偠葢?yīng)取多少，很難定量，如果相對剛度比值取小了，會使框架柱配筋偏少;如果取大了，會使拉梁及底層頂板框架梁的配筋偏少。因此，比較上述兩次計算的結(jié)果，框架柱和梁的最終配筋應(yīng)選擇其中較大值比較適宜。多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)置拉梁在基礎(chǔ)頂面以上時，應(yīng)采用彈性樓板總剛分析，需要對拉梁層樓板全房間開洞進行定義。同時，拉梁的抗震構(gòu)造措施要符合框架梁的要求，避免不正確的做法出現(xiàn)，如不設(shè)箍筋加密區(qū)或者不符合箍筋直徑等。另外，需要注意的是，在整體計算時，要將拉梁上可能存在的填充墻等荷載考慮進去。推薦的方法存在一定的合理性，但是，帶來的結(jié)果是計算量的增加以及首層框架梁配筋增加，汶川地震發(fā)生后，大量框架結(jié)構(gòu)的震害證明框架結(jié)構(gòu)沒有完全實現(xiàn)“強柱弱梁”的預(yù)期目標，部分框架發(fā)生了框架柱的嚴重損壞甚至整體倒塌。有剛性地面時，框架柱腳塑性鉸的發(fā)生位置在剛性地面以上而不在基礎(chǔ)頂面?？梢?，如何合理選取框架結(jié)構(gòu)的計算模型，合理配置構(gòu)件配筋，真正實現(xiàn)“強柱弱梁”、“大震不倒”的目標是設(shè)計與研究人員亟待解決的問題。

3 計算模型及參數(shù)

現(xiàn)以某市一座5層鋼筋混凝土框架建筑為例，對上述問題進行進一步的定量探討和分析，主要討論選取不同計算模型后計算結(jié)果的變化。為了使計算模型更具有代表性，需要對其進行以下簡化處理：一是結(jié)合工程的實際情況，選擇適宜尺寸的柱和主梁并進行布置;二是可以忽略局部次梁的布置情況。其中，圖1是模型的平面布置及構(gòu)件基本截面尺寸的示意圖。地面以上的主體結(jié)構(gòu)為5層，各層層高為3m，屋面板與樓板的厚度均為120mm。另外，采用C30等級的混凝土作為主要的混凝土;框架梁主筋、箍筋、樓板配筋分別采用的鋼筋級別為HPB400級、HRB335級、HRB335級。該建筑的框架柱采用的是獨立基礎(chǔ)形式，設(shè)置拉梁于地面附近，基礎(chǔ)頂面距離前層建筑地面為l.5m。另外，該建筑為7度的抗震設(shè)防裂度，三類的場地類別。所涉及的荷載有各層樓面的恒荷載和活荷載、屋面荷載和活荷載、各層主梁上的線荷載，相對應(yīng)的取值分別為各層樓面的4.5kN/m2和2.0kN/m2、屋面的6.5kN/m2和0.5kN/m2、線荷載布設(shè)為8.0kN/m，通過上述數(shù)據(jù)來模擬內(nèi)隔墻或外墻的自重。出于填充墻對框架抗側(cè)剛度的貢獻考慮，在進行地震作用計算時，應(yīng)選取適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)計算周期折減系數(shù)，在此取值為0.7。為了進行底層柱嵌固位置的變化以及回填土對地下室的約束作用的探討，可以選取以下幾個計算模型來進行分析：模型1（結(jié)構(gòu)為5層），其是將框架的嵌固端選在地面標高位置，在計算時不考慮基礎(chǔ)拉梁及拉梁以下框架柱的影響;模型2到模型5（結(jié)構(gòu)均為6層），是將框架的嵌固端選擇在基礎(chǔ)頂面，其中模型2有拉梁，但不考慮對拉梁層剛性地面的影響以及回填土對地下室的約束作用，模型3有拉梁且需要考慮剛性地面的影響，不考慮回填土對地下室的約束作用，此處的剛性地面厚度取100mm。需要注意的是，剛性地面是在回填土基礎(chǔ)上，因此進行相應(yīng)分析時，不需要將地面活荷載考慮在內(nèi)，只需考慮剛性地面質(zhì)量的三分之一參與動力。另外，為了比較回填土對地下室不同程度的側(cè)向約束作用的影響，以模型2（側(cè)剛比為零，沒有考慮約束作用）的基礎(chǔ)上，進行了更深層的分析計算，即約束剛度比為1（模型4）與3（模型5）的兩種計算。圖2為模型立面圖，表1列示了各模型的區(qū)別。

4 模型分析結(jié)果

采用中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的通用結(jié)構(gòu)軟件SATWE計算。各模型主要計算結(jié)果匯總?cè)绫?～表4所示。

根據(jù)表2的信息分析得出，在5個計算模型信息中模型1的結(jié)構(gòu)總計算基底剪力最大，因為其嵌固位置在地面位置。對比模型2與模型3，除了模型3考慮了剛性地面的影響外，其他條件相同，在此情況下的計算結(jié)果為模型3的總質(zhì)量略有所增加。比較模擬2、模擬4、模擬5，三者的唯一差別是地下室回填土與結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度不一樣，分別為0、1、3，分析三個模型的信息可以發(fā)現(xiàn)，隨著側(cè)向剛度比的增加，對應(yīng)平動與扭轉(zhuǎn)的一階周期呈現(xiàn)逐漸縮短的趨勢。在側(cè)向剛度比取1和取0的計算結(jié)果進行比較中發(fā)現(xiàn)，相應(yīng)的基底剪力和周期都有所增加，增加的幅度大概為2%及7%左右。

在表3中列出了五個模型的Y方向計算層間位移角變化情況，此處的Y方向（橫向）是指結(jié)構(gòu)地震作用控制的方向。其中，最大層間位移角均小于1/550 的限值，但受到嵌固端的影響，各模型的計算最大層間位移角均發(fā)生在嵌固層以上的第一相鄰層，模型2～模型5的最大計算層間位移角發(fā)生在建筑首層，二層及以上各層的層間位移角接近。模型1建筑首層的計算層間位移角反而大于二層的計算結(jié)果，明顯低估了首層的層間位移，設(shè)計時需要注意?？紤]地下室回填土的側(cè)限作用后，計算層間位移底層減小，頂部增加，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度增加。

在表4中，對五種計算模型中拉梁層梁柱構(gòu)件與首層梁柱構(gòu)件配筋梁的變化情況進行了對比。就拉梁層而言，其受地震作用的影響較小，該配筋梁滿足梁上豎向荷載作用下的承載力要求即可。就首層柱的配筋而言，模型l的計算配筋量最大，模型4 （考慮回填土的側(cè)限影響但剛度比取l）的計算配筋量最小， 而拉梁層框架柱的配筋與模型1中首層對應(yīng)柱的配筋一致，即按照模型1首層柱的計算配筋配置拉梁層對應(yīng)柱的配筋，可以保證拉梁層框架柱的配筋要求，其計算結(jié)果也比較合理。而首層框架梁的梁端配筋，模型2的框架梁計算配筋量最大，模型1的計算配筋梁最小，并且其隨著地下室回填土剛度比的增大逐漸減小。如果鋼筋混凝土的屋蓋與樓蓋是現(xiàn)澆的，需要采用一定的方法來分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，比如提高框架梁來計算抗彎剛度，其在考慮樓板空間作用時沒有全面考慮對框架梁抗彎剛度的影響。但用該方法進行內(nèi)力分析時，其是將框架梁配筋全部配置在梁寬度范圍內(nèi)，沒有將梁計算配筋按照比例將部分抗彎鋼筋分配到梁側(cè)面樓板。而現(xiàn)澆混凝土樓板是根據(jù)板的受力情況進行獨立配筋的，使得框架梁的實際抗彎承載力至少提高了20%，甚至可以提高到90%，進而導(dǎo)致框架粱柱的實際抗彎承載力沒有滿足我國抗震設(shè)計規(guī)范要求。就汶川地震而言，地震災(zāi)區(qū)范圍內(nèi)大量的鋼筋混凝土框架發(fā)生了“強梁弱柱”的破壞模式，其主要是在柱與剛性地面交界面處或基礎(chǔ)拉梁上發(fā)生了柱腳塑性鉸，這些情況都說明了現(xiàn)行鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方法中存在一定問題。為了減少地震帶來的傷害，在實際工程設(shè)計中應(yīng)考慮以下幾方面：一是樓板配筋對梁抗彎承載力的影響;二是適當?shù)貙⒖蚣芰旱挠嬎闩浣罱档突驅(qū)⒘旱牟糠钟嬎闩浣?三是根據(jù)框架梁實際抗彎承載力，提高框架柱的設(shè)計彎矩，從而提高框架柱的承載力。結(jié)合地震災(zāi)害現(xiàn)象與計算分析結(jié)果，可以選擇以下建議，即在計算現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架時應(yīng)將嵌固端取在拉梁上表面，這樣模型計算的結(jié)構(gòu)不僅符合安全性要求，又能將強柱弱梁的抗震設(shè)計理念體現(xiàn)出來。

5 結(jié)論

綜上所述，通過分析汶川地震中框架結(jié)構(gòu)震害、建立相關(guān)結(jié)構(gòu)計算模型并比較分析，建議實際工程中無地下室的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑，柱底可僅按嵌固于室內(nèi)地面的方式進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算與配筋，通過拉梁以下部分的框架柱配筋與首層柱采用相同配筋的辦法，可以做到既安全又經(jīng)濟。