混凝土结构构件受力能全过程分析.doc

混凝土结构构件受力性能全过程分析-以强柱弱梁设计原则的框架结构为例1. 先科普一下，为什么希望框架结构的破坏遵循“强柱弱梁”的模式呢？如下图所示（红点表示塑性铰），左边为“强柱弱梁”模式（即梁铰机制），框架结构中的梁端首先屈服，形成塑性铰，耗散地震输入能量，保护框架柱。理论上，当梁端都出铰且柱底也出铰时，结构形成可变机构，这预示着结构的倾倒。而在与之相对的“柱铰机制”中，某一薄弱楼层上的框架柱端部全部出铰，结构随着倒塌。两者相比，在倒塌前，梁铰机制的破坏更加充分的调动了结构中各个部分的能力，整体性较好，有利于控制损伤，避免倒塌。因此在能力设计法中将梁铰机制（或者允许出现梁柱铰混合机制）作为框架结构的预期破坏模式，于是有了所谓的“强柱弱梁”的设计概念。2. 强柱弱梁（strong column and weak beam）指的是使框架结构塑性铰出现在梁端的设计要求。用以提高结构的变形能力，防止在强烈地震作用下倒塌。“强柱弱梁”不仅是手段，也是目的，其手段表现在人们对柱的设计弯矩人为放大，对梁不放大。其目的表现在调整后，柱的抗弯能力比之前强了，而梁不变。即柱的能力提高程度比梁大。这样梁柱一起受力时，梁端可以先于柱屈服。 节点处梁端实际受弯承载力 Maby和柱端实际受弯承载力 Macy之间满足:Mc= Mb（ Mc Mb）。研究表明，要真正实现“强柱弱梁”，抗震规范第 6. 2. 2 条中的系数 不小于1. 5。即便如此，目前各国抗震设计都不能实现完全的梁铰机制，在实际结构中，完全“梁铰机制”很难实现，更多的是形成梁、柱铰同时存在的“混合铰机制”。3.除了力的传递要求其他优点：是因为梁铰分散在各层，即塑性变形分散在各层，不至于形成倒塌机构，而柱铰集中在一层，塑性变形集中，该层成为薄弱层后，易形成倒塌机构; 梁铰的数量远多于柱铰的数量，在同样大小的塑性变形和耗能要求下，对梁铰的塑性转动能力要求低，对柱铰的塑性转动能力要求高; 梁是受弯构件，容易实现大的延性和耗能能力，柱是压弯构件，尤其是轴压比大的柱，不容易实现大的延性和耗能能力。4.然而要实现“强梁弱柱”并不容易实现。4.1“512”汶川大地震中，按规范要求所设计的框架结构，规范所要求的“强柱弱梁”破坏形态几乎没有出现，反而出现了很多“强梁弱柱”的破坏形态。4.2原因两种：1.梁的加强，2.柱的弱化4.3梁的加强4.3.1现浇楼板的影响框架结构中现浇楼板在整个结构中发挥了两大作用: 卸载作用和抗力作用。结构设计师在进行结构整体计算分析时，都是假定荷载传递途径为: 板梁柱。目前,我国在结构设计中的一些实际做法是,在考虑楼板对框架梁抗弯刚度提高方面,一般将中梁和边梁的刚度按原框架梁矩形截面刚度乘2.0或1.5。这样,由结构分析得到梁端弯矩比按矩形截面梁的分析结果有所增大,但相应梁端抗弯纵筋仍全部配置在梁矩形截面内,同时楼板仍按自身受力考虑另外在楼板中配筋。而实际上，很多荷载通过楼板的平面外刚度直接传给了柱，这样，根据假定算出来的框架梁弯矩是个“假”弯矩，和实际情况相差很大。抗震规范) 第 6. 2. 2 条条文说明指出: 在强震作用下结构构件不存在强度储备，梁端实际达到的弯矩与其受弯承载力是相等的，柱端实际达到的弯矩也与其偏压下的受弯承载力相等。往往造成柱铰先于梁铰。但有一点必须明确: 按规范规定设计的框架结构，只能适度推迟柱端塑性铰的出现，而不能避免出现柱端塑性铰。最终的目的是梁铰机制先于柱铰机制。上式Mc= Mb中是基于不超过10%梁端钢筋超配条件给出的。蒋永生12等曾做过一组现浇混凝土梁柱节点的对比实验,指出带有翼缘的框架梁由于翼缘内平行于梁肋的钢筋参与受力,使得节点支座处的实际负向屈服弯矩比无翼缘梁的实测值提高了20%30%左右，甚至有些情况下会增大近1倍3，已经超过很多情况下柱端弯矩增大系数所包含的梁超强富余（一到四级框架1.7，1.5，1.3，1.2）。1 唐九如 钢筋混凝土框架节点抗震M 南京: 东南大学出版社，19892 蒋永生，陈忠范，周绪平，等 整浇梁板的框架节点抗震研究J 建筑结构学报，1994，12( 3)3马千里,叶列平,陆新征,等.现浇楼板对框架结构柱梁强度比的影响研究CM汶川地震建筑震害分析与重建研讨会论文集.北京:中国建筑工业出版社,2008.4.3.2填充墙等非结构构件影响填充墙的结构功能目标可分为:1)参与结构受力;2)不参与结构受力。对参与结构受力的填充墙,填充墙可作为整体结构第一道抗震防线,与周边框架可靠连接,形成组合墙,并应沿结构竖向连续布置。对不参与结构受力的填充墙,填充墙应与框架柱之间预留足够的间隙,隔离两者的相互作用,保证主体框架结构的受力行为符合设计计算的条件。由于填充墙通常直接在框架梁上砌筑,对框架梁的刚度有很大的增强作用,只有让填充墙先于框架柱端出铰前破坏退出工作(作为第一道防线),才有可能实现强柱弱梁屈服机制。这种设计目标通常会在大震下造成严重的非结构构件破坏,也会造成一定的人员伤亡,更主要的是震后修复工作量很大,费用也很高,并引起人们的心理恐慌。这次地震震害表明,这种设计目标已不能为大多数业主所接受。因此,这种设计目标只能适用于一般不太重要的建筑。另一种可以实现强柱弱梁屈服机制的情况是,结构中填充墙数量并不多,如仅在维护墙中设置,且上下能够连续,内部仍为纯框架结构。此时,最好将填充墙与周边框架形成前述的组合墙。因此设计中应将填充墙作为整体结构抗震的一个重要构件,并在结构抗震分析中给予必要的考虑。如分析中不考虑填充墙的影响,则应在构造措施上隔离填充墙对主体结构的影响,使结构实际受力状况与分析模型一致。4.3.3梁底钢筋不合理配置的影响目前，梁详图设计绝大部分都采用国家建筑标准设计图集 11G101( 混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图。设计时，柱左右两端的梁下部钢筋直径很多时候不同，若按11G101统一在柱支座处锚固搭接，造成梁柱节点处钢筋过多，从而影响混凝土的浇筑质量，对实现“强柱弱梁”极为不利。4.4柱的弱化4.4.1柱的最小配筋率和最小配箍率偏小柱的最小配筋率可保证柱的基本受弯承载力,而最小配箍率则可保证对混凝土的基本约束,可使框架柱在发生较大的塑性变形时混凝土抗压强度得以维持,不致很快降低。柱的轴压比限制规定偏高美国ACI规范规定,受压构件中全部受力钢筋的最小总配筋率为1%。我国混凝土规范（GB50010)2010对一般受压构件规定:全部纵向钢筋的最小总配筋率为0.6%,一侧纵向钢筋的最小配筋率为0.2%，在最小配箍率方面的规定,美国规范与中国规范大体相近,但箍筋直径的规定,美国规范要求明显高于我国通过中美规范的对比表明,美国规范受压构件的配箍特征值约为我国规范的216310倍。柱最小配筋率和最小配箍率偏小导致柱截面尺寸偏小。4.4.2柱轴压比限值规定偏高,柱截面尺寸偏小由于业主和建筑师总是希望柱子越小越好,因此框架柱截面尺寸往往都是紧扣轴压比限值。而规范中柱轴压比限值定得过高,导致框架柱截面尺寸偏，小长细比偏大。而日本规范对框架柱轴压比限值的规定,换算为我国的情况约为0.33,比我国0.70.9的轴压比限值要低很多。4.4.3大震下结构受力状态与弹性受力状态的差异“强柱弱梁”是在大震作用下所期望的框架结构屈服机制。由于梁端出现塑性铰后,结构内力分布规律与弹性内力分布规律相比会发生显著变化,将导致框架柱的地震内力进一步增大。根据初步分析,当按整体结构形成强柱弱屈服机制进行分析,柱梁受弯承载力比约为1.72.0,远高于目前规范的柱端弯矩增大系数。 1)甲类、乙类建筑：当本地区的抗震设防烈度为68度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求；当