前四期文章討論了RC柱的震害現象、損壞評價標準及仿真模擬方法,可以看出即使對最簡單的RC柱我們仍然知之甚少,在自然面前要始終保持謙卑,結構工程專業仍然大有可為。我們再用四期文章討論一下框架梁的設計與認知誤區。
普遍采用矩形截面進行框架梁設計
三十年前的結構較多采用預制樓板,由于其基本不提供面外剛度,所以采用矩形截面進行簡支梁或框架梁設計問題不大。
梁剛度增大系數
目前結構中普遍采用現澆樓板或裝配整體式樓板。為考慮樓板面外剛度貢獻,《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第5.2.2條規定:在結構內力與位移計算中,現澆樓蓋和裝配整體式樓蓋中,梁的剛度可考慮翼緣的作用予以增大。近似考慮時,樓面梁剛度增大系數可根據翼緣情況取1.3~2.0。對于無現澆面層的裝配式樓蓋,不宜考慮樓面梁剛度的增大。
基于上述規范規定,目前的工程實踐普遍采用如下方法進行梁、板設計:
(1) 樓板采用重力荷載代表值按照房間進行簡化設計,不考慮風與地震作用對樓板的影響。
(2) 通過梁剛度增大系數,將水平作用產生的樓板內力間接疊加入框架梁,再采用矩形截面進行框架梁配筋設計。
上述樓板與框架梁等效設計方法,簡化了問題,似無不妥之處。但若仔細研究,會發現隱含著較大的問題:
(1) 樓板的顯著抗側力作用未被充分考慮。
從上面框架結構的震害圖片可以看出,框架結構一般由框架梁和現澆樓板組成的樓蓋與框架柱共同抵御地震作用。由于樓板面積較大,且處于框架梁上翼緣位置,其對樓蓋剛度的貢獻是顯著的,1.3~2.0倍的框架梁剛度增大系數應是不夠的。
(2) 框架梁設計明顯偏保守。
采用框架梁剛度增大系數后,框架梁內力設計值將因此被放大,進而增大框架梁截面和設計配筋。而實際經驗告訴我們,現澆樓板即使未考慮地震作用進行配筋設計,其仍然可以對框架結構提供較大的抗側力能力,有現澆樓板時框架梁的抗震需求應明顯小于無樓板情況,此時再人為增大框架梁剛度將使得框架梁設計結果明顯偏于保守。
(3) “強柱弱梁”更加難以實現。
剛度增大系數法不但使得框架梁設計結果明顯偏于保守和浪費,其帶來的另一個后果是由于框架梁與樓板組成的樓板被進行了超強設計,所以框架柱更加相對薄弱,“強柱弱梁”的概念設計將更加難以實現。
通過如下《2008汶川地震建筑震害圖片集》(中國建筑科學研究院 主編)中某6層框架結構震害圖片可以看出:即使在框架梁截面相對框架柱截面小很多的情況下,結構破壞仍然大概率集中在薄弱層的框架柱頭、柱腳或節點區位置,框架梁端難以產生預期的“塑性鉸”,而框架柱,尤其是底層或薄弱層框架柱才是真正易破壞的構件。
目前被大量普遍采用的框架梁與現澆樓板單獨簡化設計方法,給工程實踐帶來了方便,但也同時隱含著問題,甚至可能誤導我們對看似簡單的鋼筋混凝土框架結構的抗震性能認知:
(1) 現澆樓板即使不考慮水平地震作用進行配筋設計,實際上仍然可以為樓蓋提供較大的抗側力剛度,梁剛度放大系數將明顯使得框架梁設計結果偏保守。
(2) 現澆樓板與框架梁將組成一個具有較大寬度上翼緣的T型梁,框架梁按照矩形截面設計過于粗糙。
(3) 現澆樓板與框架梁組成的樓蓋剛度顯著大于框架梁單獨的抗側力剛度,“強樓蓋弱柱”才是實際震害中的普遍現象,“強柱弱梁”概念難以通過內力調整進而增大框架柱配筋實現。