刍议建筑结构中的强柱弱梁设计

刍议建筑结构中的 强柱弱梁设计朱恬景德镇陶瓷工业设计研究院摘 要 ： 随着社会经济的发展，建筑行业的繁荣，建筑结构设计的发展及其重要性也日益显现出来 。 本文参照相关的范本 ， 分析影响强柱弱梁的因素 ， 对结构计算参数及设计值等问题进行探讨。关键词 ： 建筑；强柱弱梁；设计一、概述钢筋混凝土框架结构由于其自身的侧向刚度较小 ， 地震作用引起的侧向位移较大 ， 故合理的抗震措施成为框架结构抗震性能实现的有力保证 。 按照多层钢筋混凝土框架柱抗震概念设计的要求 ， 结构应具有多道抗震防线 ， 其中的一个原则是 “ 强柱弱梁 ” 。所谓 “ 强柱弱梁 ” 就是柱子不先于梁破坏，梁的破坏属于构件破坏，是局部性的，柱子破坏则危及整个结构的安全。由于 “ 强梁弱柱 ” 型框架结构的底层柱上下端出现塑性铰 ， 将迅速导致结构的倒塌 ； 反之 ， “ 强柱弱梁 ” 型框架结构，在全部梁端出现塑性铰并迫使结构底部也出现屈服变形时 ， 结构才会破坏。二 、 相关规范参照框架结构的 “ 强柱弱梁 ” 破坏机制 ， 即梁铰屈服机制 ， 是抗震设计所期望的框架失效机制 。 梁铰屈服机制可使整个框架具有较大的内力重分布和能量消耗能力，极限层间位移增大，抗震性能较好 。 GB50011 2010 建筑抗震设计规范 规定 ， 对于考虑地震作用组合的一 、 二 、 三级框架柱 ，除框架顶层和柱轴压比小于 0 . 15 者及框支梁与框支柱的节点外，柱端组合的设计弯矩应满足下式要求 : MC = C Mb ( 1 )一级框架结构及 9 度时，尚应符合 : MC = C Mbua ( 2 )式中 MC 节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析分配 ; Mb 节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和 ，一级框架节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取 0 ; Mbua 节点左右梁端截面反时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值之和 ， 根据实配钢筋面积 ( 计入受压筋 ) 和材料强度标准值确定 ; C 柱端弯矩增大系数，一级取 1 . 4 ，二级取 1 . 2 ，三级取 1 . 1 。虽然 建筑抗震设计规范 对 “ 强柱弱梁 ” 的设计作了上述具体的规定 ， 但经过众多学者对部分地震灾害相关报告分析显示 ， 并没有出现框架结构出现梁铰机制 ， 绝大部分现浇框架结构仍然出现了柱端严重破坏的 “ 强梁弱柱 ” 破坏现象 ，仅未设置现浇板的框架结构实现了 “ 强柱弱梁 ” ， 即框架梁率先破坏 ， 框架柱基本完好 。 为了保证框架结构具有满足工程要求的抗震性能 ， 要充分实现框架结构的 “ 强柱弱梁 ” 屈服机制，文中进一步进行总结归纳及进行分析 。三 、 影响强柱弱梁的因素1 . 柱轴压比的影响 。 现行规范轴压比限值偏高是导致框架结构抗地震倒塌能力不足的主要原因 。 在地震过程中 ， 轴压比过高容易造成柱压溃破坏 ， 适当控制轴压比对实现强柱弱梁机制是非常有益处的 。2 . 梁计算中楼板的影响 。 在结构设计中一般都是不考虑楼板参与整体计算 ，大部分情况下是直接将荷载倒算的梁上 ， 而在计算水平荷载 ( 地震与风荷载 ) 的时候考虑楼板对梁刚度的提高作用，用一个中梁 ( 边梁 ) 刚度放大系数来考虑楼板的作用 ， 但计算梁配筋的时候又只考虑矩形截面 ， 这样一来形成了本来是 T 形梁承受荷载，钢筋计算却完全集中在矩形截面中 。3 . 填充墙对结构刚度的影响 。 在实际工程中很多围护结构是砌体墙 ， 而地震作用下砌体墙与梁一起运动 ， 无疑对梁有一个较大的加强作用 。 而柱子一般情况下额外承受砌体墙与梁共同作用产生的剪力 ， 这对抗震规范 “ 强梁弱柱 ” 机制的实现是个很大的挑战 。 对墙体较多的框架结构 ， 填充墙在建筑中大多分布不均匀 ，易造成框架结构刚度中心较大偏离计算模型中的刚度中心 ， 结构计算时仅仅进行周期折减是不能完全考虑其对框架的真实影响 。4 . 裂缝计算加大了梁端的抗弯能力 。 不合理的裂缝计算加大了梁端配筋面积 ， 导致梁端计算弯矩过大 ， 梁端裂缝宽度计算值大于实际值 ， 同时 ， 加大梁端配筋 ， 抗震调幅与梁端裂缝挠度计算的矛盾 ， 对 “ 强柱弱梁 ” 机制实现增加了新的负担 。5 . 梁底配筋的不合理 。 现阶段梁配筋设计绝大部分都采用国家标准图 03G101 1 ，设计施工不区分具体情况而盲目套用图集，造成梁端底面实际配筋大大超出强柱弱梁计算中对应于梁底弯矩设计值的配筋量 ， 当跨中弯矩对底筋起绝对控制作用时，所有底筋均锚入柱中，使梁端抗弯矩能力大大增加，问题更严重 。6 . 梁柱刚度比过大而导致强柱弱梁机制难于实现 。6 . 1 当梁柱刚度比超过一定值，在水平侧向力作用下，框架柱相对弯矩增幅会大于框架梁相对弯矩增幅 ( 相对弯矩 = M/Mu) ， 框架柱会先于框架梁达到抗弯承载力而出铰 ;6 . 2 当层间剪切变形达到一定程度后，即使框架柱端纵筋不屈服，柱端混凝土压应变也会达到极限压应变而发生破坏，导致柱端抗弯承载力降低 。 再加上 P 效应 ， 使结构无法再形成强柱弱梁屈服机制 。 这种情况通常出现在荷载较大 ，梁跨度较大 。四 、 结构计算参数的选取计算中应严格按照地震区的划分 ， 选取正确的设计基本地震加速度值 。 框架结构由于填充墙的存在 ， 使结构的实际刚度大于计算刚度 ， 计算周期大于实际周期 ， 因此 ， 算出的地震作用效应偏小 ， 使结构偏于不安全 ， 因而应对结构的计算周期进行折减 。 折减系数可根据填充墙的材料及数量按规范选取 。 SATWE或 TAT等计算软件的梁输入模型均为矩形截面 ， 未考虑楼板形成 T 形截面而引起梁刚度增大 ， 计算出的地震剪力偏小 ， 使结构偏于不安全 。 因此计算时应将梁刚度进行放大，放大系数中梁取 2 . 0 、 边梁取 1 . 5 为宜 。 计算中应考虑楼梯构件的影响 。SATWE软件计算中 ， 框架柱的角柱在特殊构件定义里面一定要设定 ， 否则引起框架柱的角柱配筋不足 。五 、 调整梁 、 柱端组合弯矩设计值框架节点弯矩平衡条件是节点外力矩与梁柱端弯矩的代数和等于零 。 由于框架节点外力矩是由梁柱偏心或梁板悬挑引起的 ， 其值一般不大 ， 故规范用满足式( 1 ) 使柱端弯矩之和大于梁端弯矩之和 ， 以实现 “ 强柱弱梁 ” 的目标是可行的 ; 但与框架梁端弯矩调幅与否对柱端组合弯矩值的影响相比 ， 直接增大柱端弹性分析弯矩的简化方法所求得的柱端组合弯矩设计值与式 ( 1 ) 的计算结果差别并不算大 。 另一方面 ， 直接增大柱端弹性分析弯矩 ， 一定能够增大柱纵筋数量 ， 使框架柱更强，因此如果框架梁端选筋不超量的话，简化方法对于实现 “ 强柱弱梁 ” 也许更具合理性 。为了实现 “ 强柱弱梁 ” 重要的是 ， 当梁端实配纵筋面积比计算值增大较多时 ，则柱端实配纵筋面积也应相应予以增大 。 否则，即使按式 ( 1 ) 对柱端组合弯矩进行调整 ， 当梁端实配纵筋比计算需要面积超出较多时 ， 仍然无法实现 “ 强柱弱梁 ”的目标 。 因此 ， 地震作用组合下可以直接增大柱端弹性分析弯矩来计算柱端组合弯矩设计值 ， 然后再注意到若梁端实配纵筋面积有所增大 ， 则柱端实配纵筋面积要与梁端相应进行同步调整 ， 才能确保 “ 强柱弱梁 ” 目标的实现 。 当然柱端弯矩增大系数 Gc的取值大小是影响 “ 强柱弱梁 ” 的关键因素，应对其进行专门研究 。关于框架梁组合弯矩设计值的确定，竖向荷载下对梁端负弯矩可以考虑调幅 ， 并相应考虑梁跨中正弯矩的增大 。 当框架内力分析中活荷载按各跨均满布计算时 ， 为了考虑活荷载不利布置的影响 ， 还需对框架梁跨中正弯矩设计值予以增大 ， 但不必增大梁端弯矩值 ， 以免破坏 “ 强柱弱梁 ” 。 另外 ， 由于框架梁端负弯矩图较陡，因而计算梁纵筋面积所用的梁端负弯矩有必要取柱边缘截面之值 ， 其余的梁柱端弯矩也可以取节点中心处的值，误差不大，且对柱偏于安全 。六 、 现浇框架柱 、 梁 、 板的混凝土强度等级的问题钢筋混凝土框架结构中 ， 设计时从构件的结构重要性和受力特征 、 经济上来看，往往把梁 、 柱 、 板的混凝土采取不同的等级，但从实际情况看，弊多利少 ，容易出现下列问题 :1 . 1 个浇筑平面内出现三种强度等级的混凝土 ， 增加了施工难度 ， 延长了施工工期 ， 而且很可能由于施工管理不善 ， 会出现低强度等级的板浇筑了高强度混凝土，而高强度等级的梁或结点处浇筑了低强度混凝土，造成了质量隐患 ;2 会造成一块楼板上四周设置施工缝 、 梁端部设置施工缝等不正确的施工工艺，处理不当，不但增加施工难度，而且造成质量隐患 。因此 ， 设计时应注意 : 现浇框架的梁 、 柱和板的混凝土应尽量采用统一的强度等级 ， 以简化施工工艺 ， 保证施工质量 ; 不能统一时 ， 可以柱采用一种混凝土强度 ， 梁和板采用另一种混凝土强度 ， 只在结点处采用特殊措施 ， 比如用铁丝网等办法，以保证结点处混凝土等级与柱的混凝土强度一致 。七 、 设计构造方面的问题梁端截面的底面和项面纵向钢筋配筋量的比值 ， 除按计算确定外 ， 一级不应小于 0 . 5 ， 二 、 三级不应小于 0 . 3 。 对于宾馆 、 办公楼等有长短跨梁的建筑 ， 短跨负筋小 ， 长跨负筋大 ， 可以采用长短跨负筋分别配筋的方法解决比值不满足的问题 。应注意框架梁的纵向配筋率 : 沿梁全长顶面和底面的配筋 ， 分别不应小于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的 1/4; 当梁端实际受到约束但按简支计算时，支座负筋截面面积不应小于梁跨中下部纵向受力钢筋计算截面面积的 1/4。 当梁的纵向钢筋比较大时 ， 容易忽略这两项要求 。 框架梁上部纵筋端部水平锚固长度应满足要求 。框架柱配筋构造措施 : ( 1 ) 楼梯间处的框架柱由于楼梯平台梁与其相连 ， 使得楼梯此处的柱可能成为短柱 ， 当形成短柱时箍筋全长加密 。 ( 2 ) 对框架结构外立面为带形窗或设置空调洞时 ， 因设置连续的窗过梁 ， 使外框架柱成为短柱时箍筋全长加密 。 ( 3 ) 一级及二级框架的角柱箍筋应全长加密 。 一级及二级框架柱非加密区箍筋间距不应大于 l0倍纵向钢筋直径 。总之 ， 影响 “ 强柱弱梁 ” 实现的因素很多 ， 综合考虑各种因素 ， 合理的计算及设计方法，尚需在工程实践中不断补充和完善 。八、结构设计建议1)填充墙是影响 “ 强梁弱柱 ” 机制实现的重要因素 ， 未来的设计中 ， 以下面两种方式进行设计实施来考虑填充墙的影响： a 框架结构中，采用刚度贡献小的填充墙或填充墙连接形式 ， 设计时通过周期折减的方式来考虑填充墙对结构的刚度影响； b 充分利用填充墙作为第一道抗震防线，使框架结构形成双重抗震防线，可显著提高框架结构抗震承载能力及其抗地震倒塌能力。填充墙 自身应具有一定承载力和变形能力 。 目前规范及现有计算手段尚无法将填充墙对结构刚度的影响进行量化分析 ， 可通过等刚度代换的原则 ， 用较薄的混凝土墙来近似模拟对结构刚度的影响 ， 这对填充墙较多的建筑具有一定的设计参考意义 。 2)正确考虑楼板对梁的刚度和承载力贡献是保证结构分析和设计正确的前提 。 楼板与框架梁一起现浇 ， 两者可以结合良好 ， 共同工作能力好 ， 可显著提高框架梁的能力 。在考虑楼板影响时 ， 有两种设计算梁截面抗弯承载力时不考虑楼板翼缘 ， 代之以提高柱梁强度比，间接考虑楼板的贡献； b 维持现行规定的柱梁强度比数值，把楼板考虑进来 ， 计算后满足框架的强度比就可以了 ， 这需要现行的计算软件进行这方面计算分析配合 。 3)导致梁端钢筋超配的因素 。 a 楼板中配筋未考虑 。 b 结构内力分析计算简图按构件轴线考虑。 c 框架梁配筋由裂缝或变形条件控制等 等。解决这些的办法是用实配验算。在复核梁设计结果时，不仅应复核正常使用极限状态和承载力极限状态设计 ， 还应根据上述解决方法的建议 ， 确认柱端设计不能弱。应控制梁端实配筋与计算配筋的比例。抗规 6 2 2 条文说明指出 ， 当梁端实配钢筋不超过计算配筋 10的前提下 ， 满足规范不等式转化的内力设计值的关系式可在一定程度上减缓柱端的屈服 。 4)建议规范应给出更合理和有依据的调整系数 。 强柱弱梁是在大震作用下形成的 ， 另一种较为简便的强柱弱梁