新旧规范混凝土框架结构计算分析与配筋对比.pdf

第 4卷第 3 期 2 0 1 2年 9月 Vo J 4 No 3 S e p 2 0 1 2 新 旧规 范混凝土框架结构计算 分析 与配筋对 比 董立坤 李云贵 ( 中国建筑科学研究院，北京 1 0 0 0 1 3 ) 【 摘要】 建筑抗震设计规范 ( G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 ) 、 混凝土结构设计规范 ( G B 5 0 0 1 02 0 1 0 ) 、 高层建筑混凝土 结构技 术规程 ( J G J 3 2 0 1 0 ) 已相 继颁布 ， 新规 范结合 最新 的科研 成果及震 害经验 对 旧规 范 中的条文进行修 订 ， 规范条文变化对结构整体计算指标及配筋产生 多大影响是广大设计人 员最为关心的问题。本文采用新旧规范 S A T WE软件对某框架结构工程算例进行 了计算与比较， 给出按新旧规范计算的结构整体指标和构件配筋的差异， 从梁刚度增大系数取值方法、 扭转位移比计算方法及楼梯的考虑对结构总体指标变化的主要原 因进行了分析说 明， 从高强钢筋的应用、 抗震等级、 柱 内力调整、 梁斜截面抗剪承载力计算公式变化、 正常使用极限状态验算等方面 对配筋变化的主要原因进行 了分析 ， 供设计人员参考。 【 关键词】框架结构； 震害； 规范； 配筋 【 中图分类号】 T U 2 0 2 3 7 5 4 【 文献标识码】 A 【 文章编号】1 6 7 4 7 4 6 1 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 0 1 0 7 1 前 言 我 国处于环 太平 洋 地震 带和 亚欧地 震 带 ， 是 世界上地震灾害最严重 的国家之一 ， 地震强度大 ， 分布广 ， 频 率高 ， 损失重 1 J 。2 0 0 8年 5月 1 2 日汶 川地震震 害表 明， 设计 中严格执行 了 2 0 0 1规 范的 钢筋 混凝 土房 屋 ， 基本上 达 到 了在规 定设 防 目标 下“ 小震不坏 ， 中震 可修 ， 大 震不倒 ” 的设 防要求 。 但这次超过设防烈度 的强烈地震 也给我们带来 了 深切 的体会和沉重 的教训 。钢筋混凝 土框架结 构 的主要震害 I 2 - 3 包括 ： 结构 的整体 倒塌 、 部 分倒塌 、 薄弱层倒塌 ； 围护结 构和填充墙严重 开裂 和破坏 ； 填充墙不合 理设 置或错 层 形成短 柱剪 切破 坏 ； 填 充墙 不合 理设 置造成 结构 实 际层 刚度 不均 匀 ， 导 致底部楼层 侧移 过大 而倒塌 ， 或 导致 结构实 际 刚 度偏心使结 构产 生 明显 的地 震扭 转响应 ； 梁 柱节 点 区破坏 ； 柱端 出现塑性铰 ， 未实现 “ 强柱弱梁” 屈 服机制 ； 作为逃生 和救 生的重要通道 ， 楼梯 问遭受 严重破坏 ， 部分楼 梯甚至被拉断 。震 害表 明 ， 结 构 的重要部位和薄弱部位应予加 强 ， 如楼梯 间 ， 结 构 防止连续 倒塌 和强柱 弱梁设 计 问题应 予重 视等 。 针对以上 问题 ， 这 次规范 修订 驯从结 构布 置、 房 屋的高度 、 抗震等级 、 结构跨数 、 柱截面尺寸 、 内力 调整 、 轴压 比限值 、 配筋率到楼梯构件等主要方 面 适当提高 了混凝 土框架结 构 的抗震设计 要求 ， 如 改进不规则建筑判 断 ， 提高框架结 构强柱 弱梁 、 强 剪弱弯 内力 调整 和构造要 求 以及 甲、 乙类框 架结 构不得采用单跨框架等。 本文通过框架结构工程算例 的比较 ， 给 出按新 旧规范计算框架结构分析结果 的差异和构件配筋 的差异 ， 分析了引起配筋变化的主要因素。 2工程概况 某六层框架结构教学楼 ， 如图 1 所示 ， 一至六层 层高分别 为 5 1 0 m、 3 9 0 m、 3 9 0 m、 3 9 0 m、 3 9 0 m、 3 6 0 m； 主要柱网尺寸 5 4 m 8 1 m， 5 4 m3 6 m， 主要 柱 、 梁截 面尺寸如 图 2所示 。教室楼板 厚度 1 5 0 m m， 个别房间板厚 1 2 0 ram， 中间走廊楼 板和周 边悬挑板厚度 1 0 0 mm。楼 面恒 载为 1 2 k N m ， 局 部为 3 5 k N m ， 楼 梯 问 6 0 k N m ， 屋 面恒 载 为 【 作者简介】 董立坤( 1 9 8 6一) ， 男， 中国建筑科学研究院在读硕士。主要研究方向： 结构工程设计软件研发。 2 3 5 k N m ； 活荷 载标 准值楼 面 为 2 k N m ， 机 房为 7 0 k N m ， 楼 梯 、 走 廊 3 5 k N m ， 屋 面 活 荷 载 0 5 k N m 。 一层梁、 板、 柱采用 C 3 5混凝土 ， 其 它层 采用 C 3 0混凝 土， 混凝土容重 2 6 k N m ， 钢材 容重 78k Nm 。 建筑所在地 区抗震 设 防烈度 8度 ， 设计 基本 地震 加速度 0 2 0 g ， 多 遇地震 水平 地震 影 响系数 最大值 O t =0 1 6 ， 设 计地 震分 组 为第 二组 ， 建 筑场地类别为 类 ， 特征周期 T g =0 4 0 s ， 建 筑设 防类别为标准设 防类 ； 混凝土框 架抗震 等级 为二 级 ； 修正 后 的基本 风 压为 0 4 5 k N m ， 地 面粗 糙 程度 B类 。 周期折减系数 0 9， 梁端负弯矩调幅系数 0 8 5 ， 柱设计时不考虑活荷载折减。 3 计 算分 析与配筋对 比 a )计算分析对比 新旧规范分析结果对 比见表 1 。 图 1 结构模 型 ， 曼 监 I I l l I l - r 。 i 8 l l i l i i l l l l l l l i l l l l l l i l 5 0 0 1 , 0 0 6 0 0 x 6 0 0 5 0 0 0 0 衲 再 两 焉 再 l l l 8 l l i 一一。l _ 一 j f 百 百 百 百 百 l I 角 。 营 I l l l l l j 营 基 l l i I 善 l l l t I 窨 l l 2 ； 瞄 出 口 瞄 I 。 l l 。 l I 。 I 。 I 、 、 J 些 1 l 1 46日 0O 1 1 1 1 图 2 第 一标准层 结构 平面布置简 图 表1 结构整体计算分析结果对比 新堙规范混凝土枢架结构计算分析与配筋对比 续表 由表 1 可 以看 出， 按新 旧规范计算 ， 由于梁刚度 放大系数取值和扭转 位移 比计算方法 的不 同等原 因， 结构整体计算分析结果稍有差异 ， 但基本一致 ； 结构分析时考虑楼梯构件的影 响 ， 梯板具有斜撑的 受力状态 ， 对结构整体 影 响比较 明显 ， 结 构整体 刚 度变大 ， 周期减小 ， 位移减小 ， 地震力增大。 在结构模 型中考虑楼梯构件影 响， 楼梯 布置方 向为 Y向， Y向水平地震作 用下 ， 楼梯对梯 间角柱 ( 平面图中右下角角柱 ) 轴力 的影响见 图 3 ， 由图可 见楼梯对梯间角柱的轴力影响很大 ， 轴力影 响底层 最大 ， 随楼层升高而减小。 0 ， 一 -， ， ， 一 ， ， 一， 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 O 5 0 0 6 O O 7 0 0 8 0 0 轴 力 ( k N) 图3 Y向水平地震作用下角柱轴力 由上述可见 ， 当楼梯构件 与主体结 构整浇 时 ， 对楼梯周边构件内力数值有较大影响， 结构设计人 员应予 以高度重视 ， 楼梯构件应参与结构抗震计算 分析 ， 且加强楼梯及 周边构件配筋。结构设计 时为 了避免或减小楼梯 构件的支撑作用 ， 可采取减小楼 梯构件对 主体结构影 响的构造措施 ， 宜将楼梯构件 与框结构件脱开 ， 如采用滑动连 接， 梯板 滑动支承 于平台板 ， 以切断梯板与主体结构的水平传力路径 ， 则楼梯构件对结构 刚度等的影 响较小 ， 可不参与整 体抗震计算。 b )钢筋用量对 比 楼板允许裂缝宽度 0 3 mm， 活荷载准永久值 系 数 0 5 ， 全楼楼板总面积4 7 1 4 3 9 m ， 新旧规范采用 不 同的钢筋牌号楼板钢筋用量对 比见表 2 。 由表 2可以看出， 采用新规范计算与设计 ， 楼板 钢筋有所 减少 ， 当钢筋采用 HR B 4 0 0 ， 减 少较多， 约 7 2 ， 主要原因为新规范规定当楼板采用强度等级 4 0 0 MP a 、 5 0 0 MP a的钢筋时， 最小配筋百分率 ( ) 常 数 限值 由原规范的 0 2 0修改为 0 1 5 ， 可减少构造 控制的情况 ， 充分 发挥钢筋的强度； 采用高强钢筋 ， 钢筋用量明显减少。 采用不 同方案对工程钢筋用量进行对 比： 方案 按 2 0 0 2版规范计算， 梁、 柱纵向受力钢筋采用 H R B 4 0 0钢筋 ， 梁 、 柱箍 筋和楼板 钢筋 采用 HR B 3 3 5 钢筋 ； 方案按 2 0 1 0版规范计算 ， 梁、 柱纵向受力钢 筋采 用 H R B 4 0 0钢 筋 ， 梁 、 柱 箍 筋 和板 钢 筋 采 用 H R B 3 3 5钢筋 ； 方案按 2 0 1 0版规范计算 ， 梁 、 柱纵 向受力钢筋采用 HR B 5 0 0钢筋， 梁 、 柱箍筋和板钢筋 采用 HR B 4 0 0钢筋 。对 比结果见表 3 。 表 2 楼板钢筋用量 ( k g ) 对 比设 计 表 3 不同方案钢筋用量( k g ) 对比构件 4 续 表 由表 2和表 3可 以看出 ， 在材料强度等级不变 的情况下， 本工程按新旧规范计算对 比， 采用新规 范效果如下 ： 楼板配筋减少约 2 O 左右； 梁纵筋用 量稍有增加 ， 箍筋用量增加约 5 0 ， 整体增加约 3 6 ； 柱钢筋用量 明显增加 ， 达 到 1 2 2 ； 整体工程 钢筋用量增加约 4 2 。按新规范进行设计 ， 采用 高强高性能 钢筋取代 低强钢 筋 ， 钢筋 用量 明显减 少 ， 减少约 l O 7 。 4 不同抗震等级结构用钢量 曲线 某框架结构 ， 根 据混凝 土结 构 的抗 震等 级规 定 ， 通过改 变结 构 设 防烈 度 ， 调 整结 构 的抗震 等 级 ， 然后采 用 新 旧规 范计 算分 析 与设 计 ， 其 中构 件 纵 向 受 力 钢 筋 采 用 H RB 4 0 0， 箍 筋 采 用 H RB 3 3 5 ， 楼板钢筋采用 HR B 3 3 5 。统计结构在 不 同抗震 等 级 时 用 钢量 的变 化 ， 绘 制各 抗 震 等 级 柱 、 梁及 结构钢筋用量按 新 旧规 范设计 的 比值 曲 线如 图 4所示 。 由结构钢筋用量统计结果和图 4各抗震等级结 构钢筋用量按新 旧规 范设计 的 比值 可 以得 出本 工 程钢筋用量变化规律如下 ： 1 )由于结构设计 中一般不考虑楼板的抗震计 算 ， 各抗震等级楼板配筋量变化一致 ， 与按 旧规 范 计算相比较 ， 板配筋量减少在 2 0 左右。 2 )与按 旧规范计算 相 比较 ， 各抗 震等级结 构 中， 梁、 柱箍筋用量增加 幅度一般在 4 0 一6 0 之间 ； 梁纵筋基本持 平或略有减少 ； 不 同抗震 等级 柱纵筋变化有较大区别 ， 从 四级抗震到一级抗震 ， 增加幅度范围在 1 0 一1 5 0 ， 非抗震 时略有减 少 ， 主要原因为一般工程 中偏压构件局部二 阶效应 计算放松。 3 )按新旧规范进行设计 ， 结构总计钢筋用量基 本持平 ， 变化基本在 - 4- 5 0 范围内。 5 影 响配筋 的主要 因素 a )梁刚度增大系数取值不同 在结构设计 中， 考虑楼板对框架梁抗弯刚度 的 贡献 ， 一些实际做法是将中梁和边梁 的刚度按 原框 架梁矩形截面刚度乘 以2 0或 1 5 。 从工程实例 中选取部分混凝 土梁 ， 按新 混 凝 土结构设计规范 第 5 2 4条计算 的受压 区有效翼 缘尺寸 及梁刚度放大系数见图 5 、 表 4 。 图 4 各抗震等级结构钢筋用量按新旧规范设计的比值 新 旧规 范混凝 土柱 架结构计算 分析与配筋对 比 5 ( a ) 2 700 一 牛 250 H ( b ) 图 5 混凝土梁受压 区有效翼缘 尺寸 示意 表 4混凝土梁刚度放大 系数 考虑楼板作为翼缘对梁刚度 的影 响， 按新 规范 根据梁受压 区有效翼缘 尺寸与梁截 面尺寸 的相对 比例确定的梁刚度放大系数， 可以较为准确地计算 结构的地震作用和结构位移 ， 计算结果更加符合 实 际， 同时引起梁配筋 的波动。 b )梁斜截面承载力计算 对于矩形 、 T形和 I 形截 面的一般受弯构件 ， 承 受均布荷载 ， 当仅配 置箍筋 时， 其斜截 面的受剪 承 载力公式中箍筋项系数由1 2 5 修改为 1 0 引。 4 = 0 7 f , b h 0+1 2 o ( 2 0 0 2规范 ) = f tb h 。 + 厶 争 。( 2 0 10 规 范 ) 式 中 为截面混凝土受剪承载力系数 ， 对于一 般受弯构件取 0 7 。 设计剪力相 同 ， 在 混凝土抗剪 不足 ， 与按 旧规 范计算相比较 ， 采用新规范计算箍筋计算面积增加 2 5 ， 一般工程 中梁箍筋用量增加 5 左右。 C )正常使用极 限状态计算 新规范调整 了裂缝宽度的验算 ， 对 于受 弯 、 偏 心 受 压 构 件 裂 缝 宽 度 计 算 公 式 的形 式 不 变 ， 系数 取值 适 当调 整 ， 式 中钢 筋 混凝 土 构 件受 力 特征系数 O 由 2 I修改为 1 9； 预应力 混凝 土 受 弯构件受 力 特征 系数 O 由 1 7修 改 为 1 5 。 三 级 裂缝 控制 等级 钢筋 混凝 土受 弯构 件 的最 大 裂 缝 宽度计 算 和钢 筋混凝 土 受弯 构件 的最 大挠 度 计算 由原来 按荷 载 的标 准 组合 并考 虑荷 载 长 期 作用 的影 响修改 为按荷 载 的准 永久 组合 并考 虑荷载 长期 作用 的影 响。同 时增 加 了采 用荷 载 准永久组合并 考虑 荷 载长期 作用 的影 响 的刚 度 B的计算 ， 公 式为 B ：B 0 。 工程实例 中某框架梁新 旧规范正常使用极 限 状态验算对 比见表 5 。 表 5 裂缝宽度和挠度 比较 规 范 嚣 由表 5可见 ， 采用新规范同样配筋情况下 ， 计算 的裂缝宽度 值 明显减小 ， 挠度也有一定 幅度 减小 ， 一 定程度上可 以解决 了采用高强钢筋受裂缝 宽度 制约的问题 。板正常使用极 限状态验算与梁类似 ， 此处不再详述。 d )框架柱内力调整 新旧规范框架结构框架柱 内力调整 训系数 比 较见表 6 。 6 表 6 新 旧规范框架结构框架柱 内力调整 系数 比较 一 级框架结构和 9度的一级框架可不符合表 6 的要求 ， 但应 根据实配钢筋 满足下式 规定 ： = 1 2 副 6 ， V=1 2 ( M +肘 ： ) 日 。 但在多数结构 设计程序 中未能实现这一操作 ， 主要还是通过调 整 框架柱 内力来尽量 实现强柱弱梁 、 强剪 弱 弯 。 因 此对于结构设计人员 ， 针对较大工程 根据实配钢筋 验算强柱弱梁 、 强剪弱弯 ， 在 实际操作上仍有一 定 的困难 ， 有待于结构设计软件在这一点上的改进 。 工程实例 中某框 架柱 内力调整 的变化及配筋 差异 见表 7 。 表 7 新 旧规范框架柱 内力调整与配筋 比较 由表 3 、 表 7比较结果可以看 出， 当框架柱配筋 由地震作用控 制时 ， 采用新 规范 ， 框架 柱的设计 内 力与配筋计算面积明显增大。 e )其他主要因素 ( 1 )计算分析时是否考虑楼梯构件 。 ( 2 )不规则建筑抗震概念设计的改进 ， 扭转位 移比 计算采用规定的水平力( 考虑偶然偏心) ， 不 再采用各振 型位 移 的 C Q C组合 ， 可 能引起结构调 整 ， 进而影响结构 内力及配筋 。 ( 3 )结构二阶效应计算 由偏心距增大系数法修 改为结构分析 中考虑 PA效应 ， 构件设计值采用 C 一叼 法考虑 P一6 效应 ， 柱设计 内力及配筋有一 定的变化。普通框架柱反弯点基本位于柱中部， 当 结构 PA效应较小时 ， 与按原规范设计相 比， 计算 配筋面积有所减少 ， 部分情况下减少 2 0 3 0 ； 对于细 长 柱 可 能 有 较 大 变 化 ， 配 筋 可 能 有 较 大 差异 。 。 。 ( 4 )钢筋混凝土结构的抗震等级划分和构造措 施 的改进 ， 框架结构柱的最小截面尺寸， 除不超过 2 层和四级外 ， 比原规范增加 1 0 0 m m； 提 高了柱截面 纵向受力钢筋的最小总配筋率， 最多增加 0 1 5 ； 最 大轴压 比控制 比原规范加严 0 0 5 。 ( 5 )高强钢筋配筋的应用 ， 一般情况下钢筋用 量明显减少。 6 结束语 本文对汶川地震 中钢筋 混凝土框架结 构的 主 要震害现象进行了简要介绍 ， 通过对某框架结构 工 程算例 的比较分析 ， 给出按新 旧规范计算结构整体 指标和构件配筋 的差异及导致差异产 生的主要原 因， 得出以下结论 ： 1 )由于梁刚度放大系数取值和扭转位移 比计 算方法的不同等原 因， 结构整体计算 分析结果稍有 差异， 但基本一致。当楼梯构件与主体结构整浇 时 ， 梯板起到支撑 的作用 ， 对结 构整体影 响 比较明 显 ， 对楼梯周边 构件 内力数值有 较大影 响， 结构设 计人员应予以高度重视。结构设计 时， 宜将楼梯构 件与框结构件脱开， 减小楼梯构件对主体结构的影 响 ， 如采用滑动连接 ， 梯板滑动支承于平 台板 ， 以切 断梯板与主体结构的水平传力路径 ， 此时楼梯可不 参与整体抗震计算。 2 )在材料强度相同的情况下 ， 采用新规范分析 与设 计 ： 楼 板 配 筋 减 少 约 2 O 左 右 ， 当 采 用 H R B 4 0 0时， 可能减少较多 ； 梁纵筋 用量稍有增加 ， 箍筋用量增加约 5 O ， 整体增加 约 3 6 ； 柱钢筋 用量明显增加， 达到 1 2 2 ； 整体工程钢筋用量增 加约 4 2 。采用高强高性能钢筋取代低强钢筋 ， 钢筋用量 明显减少 ， 减少约 1 0 7 。 3 )采用新规范分析与设计 ： 各抗震等级结构中， 梁 、 柱箍筋用量增加幅度一般在 4 0 6 0 之间； 梁纵筋基本持平或略有减少； 不同抗震等级柱纵筋变 化有较大区别， 从四级抗震到一级抗震， 增加幅度范 新 旧规 范混凝 土框 架结构计算 分析与配筋对 比 7 围在 1 0 1 5 0 ， 非抗震时略有减少 ， 主要原因为 一 般工程中构件二阶效应计算放松 ； 结构总计钢筋用 量基本持平 ， 变化基本在 5 0 以内。 新规范更加注重结构概念设计 ， 进一步强调 了 “ 强柱弱梁 、 强剪 弱弯 、 强节点强锚 固” 的抗震设 计 原则 ， 在保证结构安 全 的前提 下 ， 减少 了设计过 程 中构件配筋 由裂缝 或挠度控 制的情况 ， 进一步加强 了抗震措施 ， 切实提高我 国建筑工程的抗震设 防水 平 ， 保证人民生命财产安全。 参考文献 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u i ( C h i n a A c a d e m y o f B u i l d i n g R e s e a r c h， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ne w n a t i o n a l c o d e s i n c l u d i n g C o d e f o r s e i s mi c d e s i g n o f b u i l d i n g s ，C o d e f o r d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s a n d Te c h n i c a l s p e c i fic a t i o n f o r c o n c r e t e s t r u c t ur e s o f t a l l b u i l d i ng h a v e be e n pu b l i s he d i n 2 01 0A l o t o f i t e ms h a v e b e e n r e v i s e d b a s e o n l a t e s t a c hi e v e me n t s o f s c i e n t i fi c r e s e a r c h a n d e a r t h q ua k e d a ma g e r e s e a r c h Ho w t h e s e c h a n g e s a f f e c t s t r u c t u r e i n de x a nd t h e a r e a o f s t e e l r e i n for c e me n t b e c o me t h e ma i n c o n c e r n t o s t r u c t u r a l d e - s i g n e r s I n t hi s p a pe ra fla me s t r u c t u r e i s a n a l y z e d a nd d e s i g n e d b y t h e n e w S ATW E p r o g r a m a n d t h e 0 l d o n e，a n 。 a l y z e d a n d d e s i g n e d r e s u l t s s uc h a s o v e r a l l i nd e x e s a n d t h e a r e a o f s t e e l r e i n f o r c e me n t a r e l i s t e d a n d c o mp a r e d a n d t h e f o i l 0 wi n g c 0 n c l u s i o n s c a n b e d r a wn：t h e b e a m mo me n t o f i ne r t i a ma g n i f y me t ho d，c a l c u l a t i o n o f t o r s i o na l d i s pl a c e me n t r a fto，c 0 n s i d e r i n g s t a i r s a r e t h e ma i n f a c t o r s c o n t r i b u t i n g t o t h e o v e r a l l i n d e x d i f f e r e n c e；t h e u s e o f h i g h s t r e ng t h s r e e l r e i n f o r c e me n t 。s e i s mi c d e s i g n g r a d e o f s t r uc t u r a l me mb e r s，mo d i f i c a t i o n o f c o l u mn i n t e r n a l f o r c e ， c a l c u l a t i o n 0 f s h e a r c a p a b i l i t y a n d c h e c k i ng o f s e r v i c e a bi l i t y l i mi t s t a t e s a r e t h e ma i n f a c t o r s c o nt r i bu t i n g t o t h e a r e a o f s t e e l r e i n f o r c e me nt Th e c o n c l us i o n s c a n b e a r e f e r e no e for de s i g n e r s Ke y W o r d s： RC F r a me S t r u c t u r e；S e i s mi c Da ma g e a n d Co l l a p s e；Co de；Re i n f o r c e me n t