6.2 计算要点

6.2.2 框架结构的抗地震倒塌能力与其破坏机制密切相关。试验研究表明,梁端屈服型框架有较大的内力重分布和能量消耗能力,极限层间位移大,抗震性能较好;柱端屈服型框架容易形成倒塌机制。
    在强震作用下结构构件不存在承载力储备,梁端受弯承载力即为实际可能达到的最大弯矩,柱端实际可能达到的最大弯矩也与其偏压下的受弯承载力相等。这是地震作用效应的一个特点。因此,所谓“强柱弱梁”指的是:节点处梁端实际受弯承载力

    这种概念设计,由于地震的复杂性、楼板的影响和钢筋屈服强度的超强,难以通过精确的承载力计算真正实现。
    本规范自89规范以来,在梁端实配钢筋不超过计算配筋10%的前提下,将梁、柱之间的承载力不等式转为梁、柱的地震组合内力设计值的关系式,并使不同抗震等级的柱端弯矩设计值有不同程度的差异。采用增大柱端弯矩设计值的方法,只在一定程度上推迟柱端出现塑性铰;研究表明,当计入楼板和钢筋超强影响时,要实现承载力不等式,内力增大系数的取值往往需要大于2。由于地震是往复作用,两个方向的柱端弯矩设计值均要满足要求:当梁端截面为反时针方向弯矩之和时,柱端截面应为顺时针方向弯矩之和;反之亦然。
    对于一级框架,89规范除了用增大系数的方法外,还提出了采用梁端实配钢筋面积和材料强度标准值计算的抗震受弯承载力所对应的弯矩值的调整、验算方法。这里,抗震承载力即本规范5章的RE=R/γRE=R/0.75,此时必须将抗震承载力验算公式取等号转换为对应的内力,即S=R/γRE。当计算梁端抗震受弯承载力时,若计入楼板的钢筋,且材料强度标准值考虑一定的超强系数,则可提高框架“强柱弱梁”的程度。89规范规定,一级的增大系数可根据工程经验估计节点左右梁端顺时针或反时针方向受拉钢筋的实际截面面积与计算面积的比值,取1.1λs作为实配增大系数的近似估计,其中的1.1来自钢筋材料标准值与设计值的比值fyk/fy。柱弯矩增大系数值可参考λs的可能变化范围确定:例如,当梁顶面为计算配筋而梁底面为构造配筋时,一级的λs不小于1.5,于是,柱弯矩增大系数不小于1.1×1.5=1.65;二级λs不小于1.3,柱弯矩增大系数不小于1.43。
    2001规范比89规范提高了强柱弱梁的弯矩增大系数ηc,弯矩增大系数ηc考虑了一定的超配钢筋(包括楼板的配筋)和钢筋超强。一级的框架结构及9度时,仍应采用框架梁的实际抗震受弯承载力确定柱端组合的弯矩设计值,取二者的较大值。
    本次修订,提高了框架结构的柱端弯矩增大系数,而其他结构中框架的柱端弯矩增大系数仍与2001规范相同;并补充了四级框架的柱端弯矩增大系数。对于一级框架结构和9度时的一级框架,明确只需按梁端实配抗震受弯承载力确定柱端弯矩设计值;即使按增大系数的方法比实配方法保守,也可不采用增大系数的方法。对于二、三级框架结构,也可按式(6.2.2-2)的梁端实配抗震受弯承载力确定柱端弯矩设计值,但式中的系数1.2可适当降低,如取1.1即可;这样,有可能比按内力增大系数,即按式(6.2.2-1)调整的方法更经济、合理。计算梁端实配抗震受弯承载力时,还应计入梁两侧有效翼缘范围的楼板。因此,在框架刚度和承载力计算时,所计入的梁两侧有效翼缘范围应相互协调。
    即使按“强柱弱梁”设计的框架,在强震作用下,柱端仍有可能出现塑性铰,保证柱的抗地震倒塌能力是框架抗震设计的关键。本规范通过柱的抗震构造措施,使柱具有大的弹塑性变形能力和耗能能力,达到在大震作用下,即使柱端出铰,也不会引起框架倒塌的目标。
    当框架底部若干层的柱反弯点不在楼层内时,说明这些层的框架梁相对较弱。为避免在竖向荷载和地震共同作用下变形集中,压屈失稳,柱端弯矩也应乘以增大系数。
    对于轴压比小于0.15的柱,包括顶层柱在内,因其具有比较大的变形能力,可不满足上述要求;对框支柱,在本规范第6.2.10条另有规定。

6.2.3 框架结构计算嵌固端所在层即底层的柱下端过早出现塑性屈服,将影响整个结构的抗地震倒塌能力。嵌固端截面乘以弯矩增大系数是为了避免框架结构柱下端过早屈服。对其他结构中的框架,其主要抗侧力构件为抗震墙,对其框架部分的嵌固端截面,可不作要求。
    当仅用插筋满足柱嵌固端截面弯矩增大的要求时,可能造成塑性铰向底层柱的上部转移,对抗震不利。规范提出按柱上下端不利情况配置纵向钢筋的要求。

6.2.4、6.2.5、6.2.8 防止梁、柱和抗震墙底部在弯曲屈服前出现剪切破坏是抗震概念设计的要求,它意味着构件的受剪承载力要大于构件弯曲时实际达到的剪力,即按实际配筋面积和材料强度标准值计算的承载力之间满足下列不等式:

    规范在纵向受力钢筋不超过计算配筋10%的前提下,将承载力不等式转为内力设计值表达式,不同抗震等级采用不同的剪力增大系数,使“强剪弱弯”的程度有所差别。该系数同样考虑了材料实际强度和钢筋实际面积这两个因素的影响,对柱和墙还考虑了轴向力的影响,并简化计算。
    一级的剪力增大系数,需从上述不等式中导出。直接取实配钢筋面积与计算实配筋面积之比λs的1.1倍,是ηv最简单的近似,对梁和节点的“强剪”能满足工程的要求,对柱和墙偏于保守。89规范在条文说明中给出较为复杂的近似计算公式如下:

    式中,λN为轴压比,λSW为墙体实际受拉钢筋(分布筋和集中筋)截面面积与计算面积之比,ζ为考虑墙体边缘构件影响的系数,ρtw为墙体受拉钢筋配筋率。

    2001规范的框架柱、抗震墙的剪力增大系数ηvc、ηvw,即参考上述近似公式确定。此次修订,框架梁、框架结构以外框架的柱、连梁和抗震墙的剪力增大系数与2001规范相同,框架结构的柱的剪力增大系数随柱端弯矩增大系数的提高而提高;同时,明确一级的框架结构及9度的一级框架,只需满足实配要求,而即使增大系数为偏保守也可不满足。同样,二、三、四级框架结构的框架柱,也可采用实配方法而不采用增大系数的方法,使之较为经济又合理。
    注意:柱和抗震墙的弯矩设计值系经本节有关规定调整后的取值;梁端、柱端弯矩设计值之和须取顺时针方向之和以及反时针方向之和两者的较大值;梁端纵向受拉钢筋也按顺时针及反时针方向考虑。

6.2.6 地震时角柱处于复杂的受力状态,其弯矩和剪力设计值的增大系数,比其他柱略有增加,以提高抗震能力。

6.2.7 对一级抗震墙规定调整截面的组合弯矩设计值,目的是通过配筋方式迫使塑性铰区位于墙肢的底部加强部位。89规范要求底部加强部位的组合弯矩设计值均按墙底截面的设计值采用,以上一般部位的组合弯矩设计值按线性变化,对于较高的房屋,会导致与加强部位相邻一般部位的弯矩取值过大。2001规范改为:底部加强部位的弯矩设计值均取墙底部截面的组合弯矩设计值,底部加强部位以上,均采用各墙肢截面的组合弯矩设计值乘以增大系数,但增大后与加强部位紧邻一般部位的弯矩有可能小于相邻加强部位的组合弯矩。本次修订,改为仅加强部位以上乘以增大系数。主要有两个目的:一是使墙肢的塑性铰在底部加强部位的范围内得到发展,不是将塑性铰集中在底层,甚至集中在底截面以上不大的范围内,从而减轻墙肢底截面附近的破坏程度,使墙肢有较大的塑性变形能力;二是避免底部加强部位紧邻的上层墙肢屈服而底部加强部位不屈服。
    当抗震墙的墙肢在多遇地震下出现小偏心受拉时,在设防地震、罕遇地震下的抗震能力可能大大丧失;而且,即使多遇地震下为偏压的墙肢而设防地震下转为偏拉,则其抗震能力有实质性的改变,也需要采取相应的加强措施。
    双肢抗震墙的某个墙肢为偏心受拉时,一旦出现全截面受拉开裂,则其刚度退化严重,大部分地震作用将转移到受压墙肢,因此,受压肢需适当增大弯矩和剪力设计值以提高承载能力。注意到地震是往复的作用,实际上双肢墙的两个墙肢,都可能要按增大后的内力配筋。

6.2.9 框架柱和抗震墙的剪跨比可按图15及公式进行计算。

6.2.10~6.2.12 这几条规定了部分框支结构设计计算的注意事项。
    第6.2.10条1款的规定,适用于本章6.1.1条所指的框支层不超过2层的情况。本次修订,将本层地震剪力改为底层地震剪力即基底剪力,但主楼与裙房相连时,不含裙房部分的地震剪力,框支柱也不含裙房的框架柱。
    框支结构的落地墙,在转换层以下的部位是保证框支结构抗震性能的关键部位,这部位的剪力传递还可能存在矮墙效应。为了保证抗震墙在大震时的受剪承载力,只考虑有拉筋约束部分的混凝土受剪承载力。
    无地下室的部分框支抗震墙结构的落地墙,特别是联肢或双肢墙,当考虑不利荷载组合出现偏心受拉时,为了防止墙与基础交接处产生滑移,宜按总剪力的30%设置45°交叉防滑斜筋,斜筋可按单排设在墙截面中部并应满足锚固要求。

6.2.13 本条规定了在结构整体分析中的内力调整:
    1 按照框墙结构(不包括少墙框架体系和少框架的抗震墙体系)中框架和墙体协同工作的分析结果,在一定高度以上,框架按侧向刚度分配的剪力与墙体的剪力反号,二者相减等于楼层的地震剪力,此时,框架承担的剪力与底部总地震剪力的比值基本保持某个比例;按多道防线的概念设计要求,墙体是第一道防线,在设防地震、罕遇地震下先于框架破坏,由于塑性内力重分布,框架部分按侧向刚度分配的剪力会比多遇地震下加大。
    我国20世纪80年代1/3比例的空间框墙结构模型反复荷载试验及该试验模型的弹塑性分析表明:保持楼层侧向位移协调的情况下,弹性阶段底部的框架仅承担不到5%的总剪力;随着墙体开裂,框架承担的剪力逐步增大;当墙体端部的纵向钢筋开始受拉屈服时,框架承担大于20%总剪力;墙体压坏时框架承担大于33%的总剪力。本规范规定的取值,既体现了多道抗震设防的原则,又考虑了当前的经济条件。对于框架-核心筒结构,尚应符合本规范6.7.1条1款的规定。
    此项规定适用于竖向结构布置基本均匀的情况;对塔类结构出现分段规则的情况,可分段调整;对有加强层的结构,不含加强层及相邻上下层的调整。此项规定不适用于部分框架柱不到顶,使上部框架柱数量较少的楼层。
    2 计算地震内力时,抗震墙连梁刚度可折减;计算位移时,连梁刚度可不折减。抗震墙的连梁刚度折减后,如部分连梁尚不能满足剪压比限值,可采用双连梁、多连梁的布置,还可按剪压比要求降低连梁剪力设计值及弯矩,并相应调整抗震墙的墙肢内力。
    3 抗震墙应计入腹板与翼墙共同工作。对于翼墙的有效长度,89规范和2001规范有不同的具体规定,本次修订不再给出具体规定。2001规范规定:“每侧由墙面算起可取相邻抗震墙净间距的一半、至门窗洞口的墙长度及抗震墙总高度的15%三者的最小值”,可供参考。
    4 对于少墙框架结构,框架部分的地震剪力取两种计算模型的较大值较为妥当。

6.2.14 节点核芯区是保证框架承载力和抗倒塌能力的关键部位。本次修订,增加了三级框架的节点核芯区进行抗震验算的规定。
    2001规范提供了梁宽大于柱宽的框架和圆柱框架的节点核芯区验算方法。梁宽大于柱宽时,按柱宽范围内和范围外分别计算。圆柱的计算公式依据国外资料和国内试验结果提出:

    根据重庆建筑大学2000年完成的4个圆柱梁柱节点试验,对比了计算和试验的节点核芯区受剪承载力,计算值与试验之比约为85%,说明此计算公式的可靠性有一定保证。