抗震设计框架梁梁端混凝土受压区高度控制方法研究

收稿日期 :2004 - 06 - 05 作者简介 :刘成贵 (1965 - ) ,男 ,师 ,主要研究方向为建筑结构。 第 12 卷第 5 期 安徽建筑工业学院学报 (自然科学版) Vol . 12 No. 5 2004 Journal of Anhui Institute of Architecture & Industry 2004 抗震设计框架梁梁端混凝土 受压区高度控制方法研究 刘成贵 (安徽省池州市建筑管理处 ,池州　247000) 摘 　要 :在混凝土框架结构设计施工图中 ,经常出现抗震梁梁端混凝土相对受压区高度超过规范限值的情况 ,本 文通过对超限原因的研究 ,提出将梁端混凝土相对受压区高度的限制条件转换成梁端实际受拉、受压钢筋 截面积差值的限制条件 ,并对常见框架梁梁端受拉、受压钢筋截面积差值的限值 [As - As ]进行计算列表 ,让结构 设计和审阅人员能够利用此表直观、便捷地判断梁端混凝土相对受压区高度是否超限 ,从而采取控制其超 限 ,此方法具有较强的实用性。 关键词 :受压区高度 ;塑性铰 ;延性 中图分类号 :P315 　　　文献标识码 :A 　　　文章编号 :1006 - 4540 (2004) 05 - 060 - 04 　　现行国家《建筑抗震设计规范》GB50011 - 2001 第 6. 3. 3 条规定 :计入受压钢筋的框架梁端混凝 土受压区高度和有效高度之比 ,抗震等级为一级时不应大于 0125 ,抗震等级为二、三级时不应大于 0135。 这一要求在《混凝土结构设计规范》BG50010 - 2002 和《高层建筑混凝土结构技术规程》JBJ3 - 2002 等技术 标准中也有相应规定 ,并且均被列为强制性条文 ,其重要性可见一斑。然而 ,不少设计人员对此规定未予 以足够重视 ,施工图中经常出现违反该条文的情况。究其原因 ,一是未能准确理解抗震设计时框架梁梁 端混凝土相对受压区高度控制的目的和意义 ;二是过分依赖于软件计算 ,未注意目前市场上流行的结构 设计软件在解决某些问时还存在着局限性 ;三是按现行规范给出的公式验算梁端混凝土相对受压区高 度是否超限的过程不够方便快捷 ,于是一些设计人员干脆放弃此项验算。本文通过对以上问题进行分 析 ,提出控制梁端混凝土相对受压区高度的实用方法 ,供结构工程师在设计和审图时应用或参考。 1 　梁端混凝土相对受压区高度控制方法研究 1. 1 　控制的目的和意义 对一般的混凝土梁而言 ,限制梁截面混凝土相对受压区高度的目的是防止出现在其受拉钢筋尚未达 到屈服强度之前受压区混凝土首先被压碎的“超筋破坏”现象 ,因此《混凝土结构设计规范》GB50010 - 2002 规定的限制条件为 x ≤ξbho。而对抗震设计 (四级抗震等级除外) 的框架梁而言 ,梁端截面混凝土相 对受压区高度的限制条件更加严格 ,一级抗震等级为 x ≤0125 ho ;二、三级抗震等级为 x ≤0135 ho。限制 的目的是使梁端塑性铰区有较大的塑性转动能力 ,以保证框架梁有足够的曲率延性。 按照抗震设计的基本要求 ,结构体系应具备必要的抗震承载力、良好的变形能力和消耗地震能量的 能力。按照理想的屈服机制 ,框架梁应用为框架结构的主要耗能构件 ,在地震作用下梁端首先屈服 ,消耗 部分地震能量 ,并在梁的端部附近出现塑性铰区。所以梁端塑性铰区必须具有较大的塑性转动能力 ,而 梁的塑性转动量与截面混凝土的相对受压区高度有关。当相对受压区高度为 0125～0135 范围时 ,梁的 位移延性系数可达到 3～4。由此可见 ,控制梁端混凝土相对受压区高度在框架结构的抗震设计中具有 相当重要的意义。 1. 2 　结构设计软件在框架结构抗震设计计算中应用功能的局限性 规范规定 :计算框架梁梁端混凝土受压区高度时按梁端截面实际受拉和受压钢筋面积进行计算 (见 《建筑抗震设计规范条文说明》) 。而目前常用的结构设计软件如 TAT、SATWE、TBSA、SS、SSW 等 ,只能按 与内力分析结果相对应的计算配筋量来进行梁截面混凝土受压区高度计算 ,而不能按施工图中的实际配 筋量进行计算。事实上 ,软件配筋系统自动配出的钢筋由于构造上的原因往往有超配的情况 ,而工程师 在对自动配筋的施工图进行编辑时又有很多人工调整 ,这样使得框架梁梁端实际钢筋用量与计算配筋量 有较大出入。这就是某些框架梁梁端混凝土受压区高度经软件计算不超限而按实际配筋计算却不满足 规范要求的原因所在。软件应用功能的局限性不仅如此 ,凡是涉及需要采用实际配筋进行计算的都还不 能完全满足规范要求。例如按“强柱弱梁”、“强剪弱弯”的原则在对抗震等级为一级的框架结构和 9 度设 防时的框架结构进行内力调整时 ,以及在计算楼层屈服强度系数时都存在类似问题。 1. 3 　粱端混凝土相对受压区高度限制条件的转换和应用 《混凝土结构设计规范》GB50010 —2002 给出梁截面混凝土受压区高度计算公式及抗震设计框架梁梁 端混凝土受压区高度限制条件公式分别是 a1 f cbx = f yAs - f y’ , As’ + f pyAp + (σpo’ - f py’) Ap’ (1) 一级抗震等级 : x ≤0125 ho ,二、三级抗震等级 : x ≤0135 ho。 (2) 对于混凝土强度等级不超过 C50 的非预应力混凝土梁 ,当受拉、受压钢筋采用同一种类钢筋时 ,式可 简化 (1)为 As - As’ = f cbx/ f y (3) 　　将式 (2) 、(3)分别代入式 (4)得 : 一级抗震等级 :As - As’ ≤0125 f cbho/ f y , 　　二、三级抗震等级 :As - As’ ≤0135 f cbho/ f y (4) 　　(4)式实际上是将对梁端混凝土受压区高度控制的问题转化成了对梁端受拉、受压钢筋截面积差值 的控制问题。当梁的截面积尺寸、混凝土强度等级、钢筋种类确定时 ,钢筋截面积差值的差值 [ As - As’] 即能确定。 笔者对工程设计中常用的混凝土梁 ,根据不同抗震等级梁端混凝土受压区高度限值的不同 ,计算出 梁端受拉和受压钢筋截面积差值的限值 [ As - As’] ,见表 1 和表 2。应用时只需按施工图梁端实际受拉、受 压钢筋截面积的差值 As - As’ 与[ As - As’] 对照 ,就可判断梁端混凝土相对受压区高度是否超限。 16第 5 期 　　　　　　　刘成贵 :抗震设计框架梁梁端混凝土受压区高度控制方法研究 1. 4 　应用举例 某框架结构抗震等级为三级 ,其中一榀框架第三层梁的配筋 (纵筋)计算结果和平法配筋图分别如图 1 和图 2 所示 ,该梁用 C20 混凝土、HRB335 钢筋。 图 1 　某框架梁配筋 (纵筋)计算结果简图 图 2 　某框架梁平法配筋图 从图 2 可知 ,该梁第一跨右端截面 As - As’ = 1140mm2 ,根据梁端截面尺寸 ,混凝土强度等级及钢筋种 类查表 2 得限值 [ As - As’ ] = 963mm2 ,这说明按实际钢筋计算的该梁端混凝土相对受压区高度超限 ,不满 足规范要求。若将第一跨由 2<22 改为 3<20 ,此时 As - As’ = 958mm2 < 963mm2 ,则满足规范要求。 2 　结　论 综上所述 ,控制框架梁梁端混凝土相对受压区高度是抗震设计的重要措施之一 ,是强制性规定 ,必须 严格执行。在目前结构设计软件尚未能按实际钢筋对梁端混凝土受压区高度进行准确计算的情况下 ,本 文提出的方法作为控制梁端混凝土相对受压区高度的一种手段 ,运用起来较为直观、方便、快捷。应用时 应注意以下两点 : (1)混凝土相对受压区高度超限的梁 ,绝大部分是截面尺寸较小、混强度等级较低、钢筋级别较高的 梁。掌握这个规律可以缩小验算的范围 ,节省时间。 26 安徽建筑工业学院学报 (自然科学版) 　　　　　　　　　　　　第 12 卷 (2)规范要求对抗震框架梁采取多项措施 ,限制梁端混凝土相对受压区高度仅是措施之一。因此 ,在 按本文提供的方法控制梁端混凝土相对受压区高度并调整梁的配筋后 ,尚应验算梁端纵向受拉钢筋的配 筋率以及梁端截面的底部和顶部纵向钢筋截面积极的比值是否超限。 参考文献 1 　中华人民共和国国家标准. 建筑抗震设计规范 ( GB50011 - 2001) ,2001. 2 　中华人民共和国国家标准. 混凝土结构设计规范 ( GB50010 - 2002) ,2002. 3 　中华人民共和国国家标准. 高层建筑混凝土结构技术规程 (J GJ3 - 2002) ,2002. 4 　中国建筑科学研究院 PKPM CAD 工程部 TAT用户手册及技术条件 ,2003. 5 　中国建筑科学研究院 PKPM CAD 工程部 SATWE用户手册及技术条件 ,2002. 6 　中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部 TBSA 计算分析手册 ,2002. 7 　陆可风 ,陈圆然. SSW使用手册 ,2002. THE RESEARCH OF A METHOD TO CONTROL THE HEIGHT OF THE CONCRETE PRESSURED REGION ON TOP OF THE SEISMIC DESIGNED FRAME GIRDERS LIU Cheng - gui (Anhui Chizhou Architectural management Administration , Chizhou , 247000 , China) Abstract :In the pictures which indicate the work on the structural design of the concrete frame , the height of the con2 crete pressured region on the top of the seismic designed frame girders often surpasses the standard limitation. Through carefully analyzing , the author puts forward a method. That is to change the standard limitation into a term which limits the numeral differences of the real pulled and pressured steel areas on the top of the frame girders , and to tabulate the limitation of the differences [As —As] on top of some commonly seen frame girders. This list can help structural designers and checkers to judge the height of the concrete pressured region on the top of the frame girders directly and conveniently , and to make it surpass through control . This method has a powerful practical function. Key words :the height of the pressured region ;plastics hinge ;ductility 36第 5 期 　　　　　　　刘成贵 :抗震设计框架梁梁端混凝土受压区高度控制方法研究