胡恩 何晏
(中铁二局集团勘测设计院有限责任公司 四川成都 610031)
[摘要] 本文对抗震规范中关于钢筋材料性能指标的具体含义和目的进行了详细的阐述，结合实际项目对钢筋性能指标不满足规范要求的结构的处理，采用梁柱节点实配钢筋实际参数强柱弱梁验算、采用实际钢筋参数进行大震弹塑性计算，重点考察的结构关键部位和关键构建的抗震性能，为同类问题的处理提供了内容和步骤上的参考。
[关键词] 超限高层；钢筋性能指标验算；抗震性能化分析
1.工程概况
某项目2#楼地面下设4层地下室,地面上为2层商业，43层住宅,房屋高度为145.950。结构形式为塔楼为框支剪力墙结构，周边裙楼为框架结构；建筑抗震设防分类为标准设防类，抗震设防烈度为六度，场地类别为Ⅱ类。结构主体已经封顶。塔楼各部分的抗震等级如下表：
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本工程结构图纸设计总说明（一）第8.3条说明为：抗震等级为一、二、三级的框架和斜撑构件（含梯段）结构，其纵向受力钢筋采用普通钢筋时，钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.30；且钢筋在最大拉力下的总伸长率不应小于9%。
2 钢筋参数偏差情况
1、钢筋检测情况
根据项目钢筋检测报告，本工程钢筋三个抗震指标有两个不满足规范要求分别为：抗拉强度与屈服强度实测值之比、屈服强度实测值与屈服强度标准值之比，检测数据表明，这两个参数有少量检测结果较规范要求有较小偏差。钢筋最大拉力下总伸长率满足规范要求。钢筋强度参数偏差统计详见下表：
有抗震需求钢筋检测总组数 实测抗拉强度与实测屈服强度之比
（≥1.25） 实测屈服强度与标准屈服强度
之比（≤1.30）
有偏差组数 有偏差组数占比 平均偏差值 有偏差组数 有偏差组数占比 平均偏差值
塔楼及地下室 286 76 26.57% 0.030 13 4.54% 0.031
3 对规范的理解
根据建筑抗震设计规范GB01-2010（2016年版）第3.9.3条的条文解释：“对一、二、三级抗震等级的框架，规定其普通纵向受力钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于 1.25，这是为了保证当构件某个部位出现塑性铰以后，塑性铰处有足够的转动能力与耗能能力；同时还规定了屈服强度实测值与标准值的比值，否则本规范为实现强柱弱梁、强剪弱弯所规定的内力调整将难以奏效。”规范这样规定就保证抗震的结构有一定的延性，混凝土是脆性的，需要靠钢筋来提供延性。规范规定这一条的目的就是钢筋达到屈服强度时有明显的拉力变形，让结构在地震中有一个裂而不塌的过程。
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图一 钢筋应力与应变示意图
3 处理思路
根据规范和现场实际情况拟按以下思路对钢筋抗震参数有偏差的情况进行验算：
1）按抗震规范要求，剪力墙构件的钢筋可不采用抗震钢筋；
2）抗震等级为特一、一级、二级、三级的框支-剪力墙结构中的框架应采用抗震钢筋；
3）对底部1/3总高度的梁支座位置按实配钢筋和实际钢筋屈强比验算梁端混凝土相对受压区高度保证梁端出现塑性铰后能足够的转动能力与耗能能力。
4）已施工部位抗震等级为特一、一级、二级、三级的框架按实配钢筋和钢筋实测参数验算强柱弱梁（柱端弯矩放大系数为1.2）。
5）对结构底部1/3总高度范围内不满足强柱弱梁验算的框架柱，采用加固措施进行加固。
6）对结构上部2/3总高度范围内按钢筋的实际强屈比模型进行大震弹塑性验算进入塑性的框架柱，采用加固措施进行加固。
按以上步骤验算处理后结构的抗震性能基本能满足抗震规范的要求。
4 关于钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.3的复核
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第6.3.3条：“抗震设计时，梁端纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于2.5%，不应大于2.75%；…”。按规范精神: 当配筋率取最大值2.75%，而钢筋屈服强度实测值为标准值的1.3倍规范限值，此时可以满足受压区高度：x≤0.35h0（x≤0.25h0抗震等级为一级时）。
下面根据本工程实配配筋率和钢筋屈服强度实测值的情况，对框梁的受压区高度进行复核。
根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010第6.2.10条：
α1fcbx=fyAs-fy’As’ (式6.2.10-2)
由上式可得：受压区高度，x= (fyAs-fy’As’ )/(α1fcb)
（其中fy：钢筋屈服强度，As：受拉钢筋面积，fc：混凝土强度，b：梁宽，h0：梁有效高度，α1：砼强度等级不超过C50时，取为1）
当不考虑受压钢筋的有利作用时：x= fyAs/(α1fcb)
fy=k1 fyk; fc=k2fck带入上式得：x= k1 fykAs/(α1k2fckb) (式1)
式1应满足x≤0.35h0
将最大配筋率ρb与实测屈服强度f带入上式1。
As=ρbbh0 =2.75%b h0 ; f=1.3fyk
x=1.3 k1fyk×2.75%b h0/(α1 k2fckb)=0.03575K≤0.35h0 (式2)
（其中, K= k1 fyk b h0/(α1 k2fckb)为定值）
将本工程实测屈服强度和实际梁支座配筋率带入上式计算y，能满足受压区高度x≤0.35h0的要求，对于抗震等级为一级时同样按以上步骤并将受压区高度限值改为0.35h0进行验算。经验算本项目梁支座的延性能满足要求。
5 对结构底部1/3总高度范围内的框架柱按柱端弯矩放大1.2倍复核强柱弱梁。
计算依据及公式
梁端弯矩根据实配钢筋数量及检测参数，根据“高层建筑混凝土结构技术规程” JGJ 3—2010第6.2.5条的条文说明公式计算梁端实际抗震受弯承载力：
Mbua=fyk*Ash*（h0-as’）/γRE
求得梁柱节点顺时针及逆时针各方向的实际抗震受弯承载力Mbu。
其中fyk根据实测资料最大屈标比为1.46，规范允许值为1.3，实际验算取值fyk=1.46/1.3x500=561 N·mm2。其中直径18~40钢筋为满足规范≤1.3要求，取值按fyk=500N·mm2。
柱端弯矩计算，由于柱竖向压力为定值，可根据实配钢筋按《混凝土结构设计规范》GB50010-2010第6.2.17条公式反算柱的抵抗弯矩：
N≤α1*fck*b*x+fyk’*As’-σs*As
Ne≤α1 fck*b*x(h0-x/2)+ fyk’*As’(h0-as’)
e=ei+h/2-a
ei=e0+ea , e0=M/N
所求得的实际抵抗弯矩M除以放大系数1.2即为强柱弱梁中柱的极限抵抗弯矩Mcu。
根据以上公式编制了Excle电子表格进行计算，根据计算的-3至15层梁柱节点弯矩承载力计算结果比较，塔楼梁柱节点均满足强柱弱梁的要求。
6 罕遇地震下的弹塑性性能分析
由于钢筋实际参数与规范规定有偏差，为考查结构在实际钢筋参数情况下的地震受力与变形，采用软件进行了大震作用下的弹塑性性能分析。分析采用的参数与结构抗震超限审查的参数一致，将钢筋的强屈比取实际检测的最低值1.2。
根据该本项目《建筑结构工程超限设计可行性论证报告》依据《高层建筑混凝土结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》确定本结构抗震性能目标为C级，抗震性能水准按下表控制：
各性能水准结构预期的震后性能状况：
6.1 分析程序简介
罕遇地震下的计算分析采用PKPM-SAUSAGE程序针对不同关键构件分别作大震不屈服计算。
计算软件采用由广州建研数力建筑科技有限公司开发的新一代“GPU+CPU”高性能结构动力弹塑性计算软件PKPM-SAUSAGE（PKPM Seismic Analysis Usage），它可以准确模拟梁、柱、支撑、剪力墙（混凝土剪力墙和带钢板剪力墙）和楼板等结构构件的非线性性能，使实际结构的大震分析具有计算效率高、模型精细、收敛性好的特点。PKPM-SAUSAGE软件经过大量的测试，可用于实际工程罕遇地震下的性能评估。
6.2 分析方法及主要结果
在本项目的非线性地震反应按实际模型进行建模分析。模型按照三种层次进行分析:(1)材料模型；(2)构件模型；(3)整体模型。输入材料参数，赋予构件特性并进行构件组装得到整体模型。
钢筋采用如下图的动力硬化模型所示，钢材的非线性材料模型采用双线性随动硬化模型，在循环过程中，无刚度退化，考虑了包辛格效应。钢材的强屈比设定为1.2，极限应力所对应的极限塑性应变为0.025。
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钢材的动力硬化模型
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图一 结构整体模型
分析工况信息
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图二 地震动谱
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图三 三条波对应的层剪力曲线
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图四 三条波对应的楼层层间位移角曲线分布
图五 RGB-Y 剪力墙损伤
6.3 小结
1、分析所得出的罕遇地震作用下结构弹塑性位移角最大值为1/244，小于C级抗震性能目标的弹塑性位移角限值。
2、罕遇地震下剪力墙受拉和受压基本保持弹性，仅有少量剪力墙局部墙肢发生零星破坏，未出现整片墙屈服的情况。
3、罕遇地震作用下连梁大部分出现裂纹，剪力墙仅在底部楼层局部出现裂纹，框架柱没有出现铰。连梁和框架梁共同耗散了输入结构的部分地震能量。剪力墙、连梁较好地发挥了抗震设防的第一道防线的效能，作为抗震设防第二防线的框架柱始终保持弹性状态，较好地发挥了二道防线的作用。
4、罕遇地震作用下包括连接中部剪力墙和外围框架的板带在内，大部分楼板基本处于弹性状态，仅在与结构两端剪力墙相连的楼板和中部剪力墙洞口处的局部楼板应力较大,在施工图设计时，应加强该部分楼板。
5、综上所述，结构整体上可以充分满足“大震不到、控制变形”的抗震设防目标。
7 结论
根据《建筑结构抗震设计规范》GB 50011-2010和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010的有关规定，我们对梁柱钢筋不满足抗震性能指标情况，对梁支座位置以及梁柱节点进行了计算复核。除进行常规的计算分析外，按钢筋实际参数采用性能设计法对本工程进行了大震的补充计算分析。分析结果表明，虽然本工程有部分钢筋抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值以及屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不满足抗震规范对钢筋的规定，但经过验算结构关键部位和关键节点的承载力满足规范对于强柱弱梁、强剪弱弯的要求，本工程结构是安全的。
参考文献
[1] 建筑抗震设计规范:GB50011-2010 [S]. 北京：中国建筑工业出版社,2010.
[2] 混凝土结构设计规范:GB50010-2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社,2010.
[3] 高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ3-2010 [S]. 北京：中国建筑工业出版社,2010.