對我國現(xiàn)行規(guī)范多層結(jié)構(gòu)中框架柱抗震構(gòu)造措施及討論

1、對我國現(xiàn)行規(guī)范多層框架結(jié)構(gòu)中框架柱抗震構(gòu)造措施的討論摘要：汶川大地震較好地檢驗(yàn)了我國現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的合理性，從震害現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范不能很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，大部分多層框架結(jié)構(gòu)的破壞都發(fā)生在柱端、底層柱破壞普遍嚴(yán)重，且邊柱相對中柱破壞嚴(yán)重，從而引起我們對現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的部分抗震措施的合理性的質(zhì)疑。本文以實(shí)際震害為基礎(chǔ)，主要針對柱的最大軸壓比、最小配箍率和最小配筋率等方面進(jìn)行討論，并通過與國外規(guī)范進(jìn)行比較，從中發(fā)現(xiàn)我國現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范存在不足。關(guān)鍵詞：框架柱；軸壓比；配箍率；配筋率；對比；震害；現(xiàn)行規(guī)范中圖分類號(hào)：TU375.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0.前言抗震與非抗震結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)

2、設(shè)計(jì)上有許多不同之處，其根本區(qū)別在于非抗震結(jié)構(gòu)在外荷載作用下結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)或僅有微小裂縫，構(gòu)件設(shè)計(jì)主要是滿足承載力（強(qiáng)度）要求，即“作用”與“抗力”的關(guān)系；而抗震結(jié)構(gòu)在地震作用下，部分構(gòu)件將進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，除了滿足強(qiáng)度要求外，還要具有足夠的變形能力（耗能能力）以及在強(qiáng)震下結(jié)構(gòu)不倒塌，結(jié)構(gòu)的能力通常是用變形量來衡量，即“所需求的變形”和“所能提供的變形能力”之間的關(guān)系；在地震作用下要滿足所需求的變形，這就要求抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成延性結(jié)構(gòu)，即其構(gòu)件應(yīng)有足夠的延性。結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性，提高延性可以增加結(jié)構(gòu)抗震潛力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力，而結(jié)構(gòu)在地震作用下的延性要求是通過各種抗震措施來保證的。1 框架

3、柱抗震措施的重要性柱是框架結(jié)構(gòu)中的豎向構(gòu)件，地震作用下柱的破壞比梁的破壞更容易引起框架結(jié)構(gòu)的倒塌，梁的破壞影響可能是局部的，而柱破壞的影響是大范圍的，柱在結(jié)構(gòu)中的作用比梁顯得更為重要。柱由于有軸力的作用，其延性性能明顯比梁差，對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，通常按照“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使地震作用下塑性鉸盡可能先在梁端充分發(fā)展。為了能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，保證地震作用下柱的延性是至關(guān)重要的，柱延性的影響因素主要有柱的剪跨比、軸壓比、配箍量和剪壓比。 1.1 最大軸壓比的規(guī)定鋼筋混凝土柱正截面破壞分為大偏心受壓破壞和小偏心受壓破壞兩大類，前者為逐漸的，有明顯預(yù)告的塑性破壞，而后者為突然的、無預(yù)告的脆

4、性破壞。因此，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，除了預(yù)計(jì)不可能進(jìn)入屈服的柱外，通常希望柱子處于大偏心受彎破壞狀態(tài)，這就必須把截面的受力狀態(tài)控制在離大、小偏壓分界狀態(tài)還留有一定距離的大偏壓受壓狀態(tài)，因此就要控制截面的軸壓力不能過大。為了實(shí)現(xiàn)柱的大偏心受壓破壞，確?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在地震作用下的安全可靠，各國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范都規(guī)定了框架柱軸壓比的限值?？蚣苤妮S壓比是影響其變形性能和破壞形態(tài)的主要因素之一，限制軸壓比是為了保證框架柱在大偏壓狀態(tài)下破壞以滿足延性要求。軸壓比限值與多種因素相關(guān)，主要有抗震等級、結(jié)構(gòu)型式、約束效果等因素有關(guān)。改進(jìn)箍筋構(gòu)造，設(shè)置芯筋及選擇抗震兩道防線的結(jié)構(gòu)形式等，即可以增加軸壓比限值3。在進(jìn)行多層抗震框架

5、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，底層框架柱的截面尺寸是由最大軸壓比起控制作用，由于軸壓比限值較松，導(dǎo)致較小的框架柱截面就能滿足要求，通常底部幾層框架柱軸壓力已基本接近于限值，由于施工質(zhì)量等原因，在地震中還可能出現(xiàn)超過界限軸力，導(dǎo)致柱抗彎承載力的降低2。而框架梁的截面尺寸與結(jié)構(gòu)高度沒有關(guān)系，主要是和結(jié)構(gòu)跨度有關(guān)，為了滿足大空間，框架梁跨度就比較大，就要求框架梁具有足夠的高度，導(dǎo)致梁柱線剛度比小，難于實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的機(jī)制。文獻(xiàn)2還指出，震害調(diào)查中，柱端塑性鉸大多是混凝土壓壞現(xiàn)象,有混凝土強(qiáng)度低的問題，同時(shí)認(rèn)為現(xiàn)行規(guī)范的軸壓比限值偏大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低軸壓比。1.2 柱最小配筋率和最小體積配箍率框架柱的箍筋有三個(gè)作用

6、：抵抗剪力、對混凝提供約束、防止縱筋壓屈。其中箍筋對混凝土的約束是提高混凝土極限壓應(yīng)變，從而改善混凝土延性性能的主要措施?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，為了保證柱的延性，柱內(nèi)箍筋除滿足抗剪承載力要求外，也要滿足在一定軸壓比下體積配箍率的要求，同時(shí)還要滿足不超過最大允許間距和最小直徑的構(gòu)造要求。為了保障結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全和防止倒塌的發(fā)生，在設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中保證結(jié)構(gòu)具有良好的延性性能，已經(jīng)成為各國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范制定的共識(shí)國內(nèi)外許多試驗(yàn)結(jié)果都表明，提高箍筋的強(qiáng)度，能對混凝土有較好的約束作用；同時(shí)，柱的混凝土強(qiáng)度越高，對箍筋的約束要求也越高。因此規(guī)范采用箍筋的配箍特征值的做法，以適應(yīng)鋼筋和混凝土強(qiáng)度的變化，更合理地采

7、用較高強(qiáng)度的鋼筋；同時(shí)，為了避免計(jì)算所得的配筋率過低，還對定了柱最小體積配箍率。柱的最小體積配箍率是體現(xiàn)柱端加密區(qū)箍筋對砼的約束作用。規(guī)范所提出的估計(jì)最小配箍特征值，除與柱抗震等級和軸壓比有關(guān)，還與箍筋形式有關(guān)。規(guī)范規(guī)定受壓構(gòu)件最小配筋率的目的是改善其脆性特征，避免混凝土突然壓潰，并使受壓構(gòu)件具有必要的剛度和抗偶然偏心作用的能力5。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究結(jié)果，一般認(rèn)為受壓構(gòu)件配置最低數(shù)量受壓縱向鋼筋主要是為了在壓力持續(xù)作用下一定數(shù)量的縱向鋼筋與混凝土共同受壓時(shí)，能適度減小混凝土的徐變量，降低混凝土在長期壓力下壓潰的風(fēng)險(xiǎn)；一定數(shù)量的縱向鋼筋并配合以一定數(shù)量的箍筋，能對受壓混凝土形成一定的約束，從

8、而使其失效不致過于突然。柱縱向鋼筋最小配筋率在低烈度區(qū)實(shí)際上已成為引導(dǎo)抗震結(jié)構(gòu)形成更為有利的塑性鉸機(jī)構(gòu)和保證框架抗震延性性能的重要構(gòu)造措施之一7。2 國內(nèi)外規(guī)范對比2.1軸壓比限值對比各國軸壓比限制見表1，與國外規(guī)范相比，我國規(guī)定的軸壓比限制與國外規(guī)范相當(dāng)。表1 各國規(guī)范軸壓比限值對比6規(guī)范名稱軸壓比限值混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值美國 UBC97 ACI318-05未明確規(guī)定軸壓比要求，從柱受壓承載力計(jì)算公式顯示出當(dāng)柱配筋率為1%4%時(shí)，軸壓比為0.530.70fc新西蘭 DZ3101 1994延性框架 配筋率1% 軸壓比：0.53有限延性框架 配筋率1% 軸壓比：0.73fc歐洲 Eurocode

9、DCH：0.34 DCM：0.44 DCL：0.51fc日本 AIJ以變形能力0.02為標(biāo)準(zhǔn) 一般構(gòu)造箍筋0.33特殊約束箍筋0.330.67Fcfc中國 GB50010-2002一級 二級 三級 （0.7） （0.8） （0.9） 0.39 0.45 0.51（）按fc fc1.78fc2 配筋率、配箍率對比表2和表3給出了我國規(guī)范與ACI318-05關(guān)于柱構(gòu)造要求的對比結(jié)果。從表2可以看出，關(guān)于加密區(qū)的最大箍筋直徑，我國規(guī)范一級抗震等級的規(guī)定與ACI318-05的高延性等級相當(dāng)，美國規(guī)范規(guī)定的箍筋的最小直徑明顯高于我國規(guī)范，且美國規(guī)范規(guī)定的箍筋約束效果更好。雖從表中可以看出，我國規(guī)定的箍筋

10、肢距比美國規(guī)范要求嚴(yán)格，但實(shí)際上美國規(guī)范規(guī)定的箍筋肢距完全不起控制作用。表3中GB50011-2001對應(yīng)的柱體積配箍率的結(jié)果是以軸壓比為0.7計(jì)算的。從表3中可以看出，我國規(guī)范的一級抗震的等級的中柱和邊柱，其縱筋的最小配筋率與ACI318-05的高延性等級相當(dāng)，二級以上都比ACI偏?。恢拷畹捏w積配箍率，我國規(guī)范的規(guī)定明顯低于ACI，ACI規(guī)定的值大部分達(dá)到我國規(guī)范規(guī)定值的1.5倍。美國規(guī)范是通過較高的配箍要求來避免高強(qiáng)混凝土的脆性破壞,并使得高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度得到充分利用。表2 中美規(guī)范柱加密區(qū)箍筋構(gòu)造要求對比加密區(qū)箍筋構(gòu)造規(guī)定ACI318-05GB 50011-2001高延性中、低延性一級

11、二級三級四級間距(mm)最大間距取所有值中的較小值(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最小直徑(mm)(1)當(dāng)db32mm,d10mm; (2)db=36mm,43mm,57mm, d13mm(1)當(dāng)db32mm,d10mm; (2)db=36mm,43mm,57mm,d13mm108

12、86(柱根8)肢距(mm)356200250和20dmin二者較小值250和20dmin二者較小值300每根角筋和間隔一根縱筋都應(yīng)由具有內(nèi)折角不超過135的一般箍筋提供側(cè)向支點(diǎn)。每隔一根縱向鋼筋，宜在兩個(gè)方向有箍筋或拉筋約束，當(dāng)采用拉筋時(shí)，拉筋宜緊靠縱筋并拉住封閉箍筋。表中：bmin-構(gòu)件的最小截面尺寸；db -縱筋直徑； dmin-最小箍筋直徑；hx -箍筋的最大肢距。表3 中美規(guī)范柱加密區(qū)最小配筋率、配箍率對比鋼筋強(qiáng)度等級HPB235HRB400GB混凝土等級C30C35C40C45C50C60C30C35C40C45C50C60fc(N/mm2)14.316.7 19.1 21.1 23

13、.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縱筋配筋率(%)最小值GB中、邊柱一級 1.0；二級0.8；三級0.7；四級0.6角柱一級 1.2；二級1.0；三級0.9；四級0.8ACI1.00 （1.00）最大值GB5.00 ACI6.00（8.00）體積配箍率 s

14、min (%)GB一級1.35 1.35 1.55 1.71 1.87 2.23 0.79 0.79 0.90 1.00 1.09 1.30 二級1.19 1.19 1.36 1.51 1.65 1.96 0.70 0.70 0.80 0.88 0.96 1.15 三級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，（）內(nèi)對應(yīng)的數(shù)值適用于AC

15、I318-05的低延性和中延性等級的框架。表4 實(shí)際截面配箍率對比柱截面尺寸(mm)最小配箍率%（C50）最小配箍率%（C60）ACI318-05GB-2001ACI318-05GB-2001面積體積體積面積體積體積7507500.9061.93 1.04 1.0822.34 1.24 8008002.15 2.19 8508502.04 2.35 6508502.21 2.24 9009001.89 2.23 100010001.99 2.27 110015001.94 2.28 130015001.88 2.27 130013001.92 2.30 表4以美國規(guī)范的鋼筋材料60級為箍筋，規(guī)

16、定的鋼筋屈服強(qiáng)度（類似于我國的鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）fy=413.68MPa計(jì)算實(shí)際的幾種截面的配箍率，兩國規(guī)范進(jìn)行對比，從表中可以看出，美國規(guī)范規(guī)定的配箍率的最小值明顯高于我國規(guī)范規(guī)定的值，有些甚至比我國規(guī)范高于1倍，從而可以看出我國規(guī)范規(guī)定的柱最小體積配箍率明顯偏低。（表3和表4實(shí)質(zhì)是一樣的，只保留一個(gè)）4.震害分析4.1 主要震害此次汶川大地震的主要震害現(xiàn)象表現(xiàn)為：幾乎沒有看到抗震設(shè)計(jì)規(guī)范預(yù)期的“強(qiáng)柱弱梁”破壞機(jī)制，而大部分框架主體結(jié)構(gòu)的破壞都發(fā)生柱端，梁端發(fā)生破壞的情況很少。柱子的主要破壞現(xiàn)象為：底層柱普遍破壞嚴(yán)重、柱端出現(xiàn)塑性鉸甚至整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌、短柱剪切破壞、。產(chǎn)生這些破壞現(xiàn)象的主要原因有

17、：(1) 現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的柱最小配筋率、最小配箍率偏低，箍筋對混凝土以及縱筋沒有形成很好的約束，導(dǎo)致柱端縱筋壓屈，混凝土壓碎；(2) 現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的柱軸壓比限值控制過松，而地震區(qū)多層建筑的框架柱的截面尺寸由軸壓比控制，多層結(jié)構(gòu)層數(shù)不多，軸壓力不大，導(dǎo)致柱截面過小，但框架梁的截面與層數(shù)無關(guān)，僅和跨度有關(guān)，為了滿足建筑上大空間的要求采用了大跨度，從而導(dǎo)致梁截面較大，形成了“瘦柱胖梁”的現(xiàn)象；(3)現(xiàn)澆樓板以及填充墻對框架梁剛度的貢獻(xiàn)使得在實(shí)際地震作用下框架梁的實(shí)際抗彎能力明顯強(qiáng)于經(jīng)“強(qiáng)柱弱梁”措施調(diào)整后的柱，形成了“強(qiáng)梁弱柱”的現(xiàn)象，這樣框架柱成了主要的耗能構(gòu)件，整個(gè)結(jié)構(gòu)延性差，在地震作用下易發(fā)生柱

18、子的破壞； (4)為滿足建筑功能要求，建筑底部通常為大開間，而上部樓層為了分隔房間填充墻數(shù)量較多，形成了“下柔上剛”的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致底部柱子破壞嚴(yán)重，甚至倒塌；(5)為滿足個(gè)性化需要，部分結(jié)構(gòu)在室內(nèi)形成了整體錯(cuò)層，導(dǎo)致了在結(jié)構(gòu)的同一層中長柱和短柱共同工作，而短柱的相對剛度大，吸收的地震力，剪跨比小，從而發(fā)生剪切破壞；(6)柱子施工縫一般設(shè)置在柱上端的梁下邊緣處，此處彎矩和剪力較大，再加上施工縫處理不當(dāng)很可能在此處發(fā)生破壞，另外，施工過程中柱下端混凝土振搗不充分，導(dǎo)致柱端混凝土澆筑不密實(shí)；從震害中發(fā)現(xiàn)，邊柱比中柱破壞嚴(yán)重，容易造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的傾斜甚至倒塌，因此從防倒塌的角度應(yīng)提高邊柱的設(shè)防水準(zhǔn)。但我國

19、規(guī)范對邊柱和中柱沒有區(qū)別對待，這點(diǎn)值得重視。4.2實(shí)例分析以都江堰某實(shí)際工程為例，該項(xiàng)目分為4種類型，分別為公寓樓，疊拼、聯(lián)排和獨(dú)棟，均為框架結(jié)構(gòu)，該工程設(shè)計(jì)時(shí)是按7度0.1g設(shè)計(jì)的。其中公寓樓共6層，總高16.70m，現(xiàn)澆坡屋面，一樓作為停車庫，僅在樓梯間四周有填充墻，其他部位空曠，上部各層幾乎所有的框架梁上都有填充墻，縱向填充墻的數(shù)量較多，較密集，從而形成了“下柔上剛”的結(jié)構(gòu)。在此次汶川大地震中，該建筑幾乎底層所有柱端都出現(xiàn)了塑性鉸，而上部各層破壞及其輕微，僅少數(shù)填充墻出現(xiàn)了裂縫。公寓樓柱的平面布置圖和震后情況分別如圖1和圖2所示。圖1 柱平面布置圖 圖2 底層柱整體破壞圖圖3(a)給給出

20、了該項(xiàng)目中幾棟樓（圖中1、2、3、4表示四種結(jié)構(gòu)）底層柱全截面配筋率與規(guī)范規(guī)定的最小配筋率進(jìn)行對比，從圖中可以看出，所有柱子的配筋率都大于規(guī)范規(guī)定的最小值；圖3(b)給出了這些底層柱的加密區(qū)體積配箍率和規(guī)范下限值對比，其中規(guī)范限值是以一級、二級、三級抗震等級規(guī)定的軸壓比限值0.7、0.8、0.9，普通箍、復(fù)合箍為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的（配箍特征值均為0.17），所分析的所有柱有74%的柱配箍率大于規(guī)范規(guī)定的值，但在本次地震中底層幾乎所有柱端都出現(xiàn)了塑性鉸，鋼筋壓屈和外鼓，箍筋對縱筋未形成很好的約束作用，這說明規(guī)范規(guī)定的柱最小配筋率和最小配箍率偏小。 （a）柱縱向配筋率 （b）柱體積配箍率圖3 各結(jié)構(gòu)底

21、層柱縱筋配筋率、配箍率與我國規(guī)范規(guī)定對比四、主要結(jié)論從本文分析和震害結(jié)果可以看出，我國現(xiàn)行規(guī)范不能很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，這說明現(xiàn)行規(guī)范存在一些不足。因此，必要提高我國現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中框架柱的最小配筋率、最小配箍率，降低框架柱的軸壓比要求。最近用PKPM計(jì)算上的時(shí)候，老是覺得計(jì)算結(jié)果中的軸壓比的數(shù)值有點(diǎn)問題，比自己預(yù)計(jì)的要小不少，一直不太明白，今天手算了一下，發(fā)現(xiàn)PKPM的 計(jì)算值比手算值大約小30左右，估計(jì)程序是按混凝土軸向抗壓標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的，于是用該值計(jì)算了一下，果然如此，如果不注意的話，很容易被程序給騙了，比如 正確的軸壓比是0.8，按軸向抗壓標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的結(jié)果是0.56，讓你看起來很不錯(cuò)。 （后記說明：在仔細(xì)檢查了以后發(fā)現(xiàn)，pkpm計(jì)算時(shí)如果采用中、強(qiáng)震屈服計(jì)算選項(xiàng)時(shí)，計(jì)算結(jié)果采用標(biāo)準(zhǔn)值，要想獲得正確軸壓比，將這個(gè)選項(xiàng)去掉。不是結(jié)果不正常。） 因?yàn)橛X得結(jié)果不太正常，所以仔細(xì)的看了幾遍軸壓比的定義，看后發(fā)點(diǎn)小意見。 抗震規(guī)范上寫的是： 柱組合的軸壓力設(shè)計(jì)值與柱的全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比值；可不進(jìn)行地震作用計(jì)算的結(jié)構(gòu)，取無地震作用組合的軸力設(shè)計(jì)值。 混凝土規(guī)范里則是： 考