强柱弱梁强剪弱弯强节点弱构件的概念

1、如何理解 “强柱弱梁 ”？ 1， “强柱弱梁 ”的本质 指梁柱节点处，柱端实际受弯承载力大于梁端实际受弯承载力。 2，为什么要保证 “强柱弱梁 ”？ 因为框架结构的变形能力与其破坏机制有很大的关系。 研究表明：梁先屈服，即梁端先出现塑性铰，可使整个框架结构产生较大的内力重 分布，从而增强结构的耗能能力和极限层间位移，抗震性能较好。 若柱先屈服，则可能使整个结构变成几何可变体系，造成结构倒塌。 3，怎样保证 “强柱弱梁 ”？ 一般采用增大柱端弯矩设计值的方法（框架抗震等级为一、二、三级时，柱端弯矩 增大系数分别取 1.4、 1.2、1.1），PKPM 程序自动考虑这一规定。 4，哪些因素导致无法

2、准确实现 “强柱弱梁 ”？ 结构内力分析时考虑了楼板的约束作用（梁截面为 T 形， PKPM 中以边梁和中 梁的刚度放大系数来考虑） ，但梁的承载力设计时仍以矩形截面来配筋，并没有考虑楼板的 约束作用，低估了梁的承载能力。 实际应该这样处理： 按 T 形截面进行的内力分析， 就应根据所得的承载力按 T 形截 面进行配筋；或者将按 T 形截面进行内力分析后所得的承载力除以梁刚度放大系数，然后 按矩形截面进行配筋。 梁端配筋采用的是柱中线处的内力，而实际上应该采用柱边的内力，而柱中线 处的内力比柱边的内力大约 20%，实际上增加了梁端的配筋。 由于设计习惯和钢筋需要归并等原因造成梁配筋的增大。 如

3、何理解 “强剪弱弯 ”？ 1， “强剪弱弯 ”的本质 指梁、柱和剪力墙底部的斜截面实际受剪承载力大于实际受弯承载力。 2，为什么要保证 “强剪弱弯 ”？ 因为弯曲破坏是延性破坏， 有一定的征兆， 如裂缝、挠度等； 而剪切破坏是脆性破坏， 没有任何预兆突然破坏。所以要保证构件在发生弯曲破坏前不产生剪切破坏。 3，怎样保证 “强剪弱弯 ”？ 一般采用增大梁端、柱和剪力墙剪力增大系数的方法（框架抗震等级为一、 二、三级 时，梁端剪力增大系数分别为 1.3、1.2、1.1；柱剪力增大系数分别为 1.4、1.2、1.1；剪力墙 抗震等级为一、二、三级时，剪力墙剪力增大系数分别为 1.6、1.4、1.2）

4、。PKPM程序自动 考虑这一规定。 具体配筋时，可采取以下措施来尽量保证 “强剪弱弯 ”： 1 ，增大箍筋直径，减小箍筋间距。 2，必要时，某些构件的箍筋可全长加密，如连梁、短柱等。 3，主次梁交接处，设置附加箍筋和弯起钢筋。 如何理解 “强节点弱构件 ”？ 1 ， “强节点弱构件 ”的本质 指节点区域的实际承载力大于构件的实际承载力。 2，为什么要保证 “强节点弱构件 ”？ 因为节点失效，与之相连的梁柱等构件全部失效，结构也坍塌失效。 3，如何保证 “强节点弱构件 ”？ 一般通过构造措施来解决，如规定梁纵筋的锚固长度、 锚固形式等， 详见混凝土结 构设计规范 10.4 节梁柱节点。 梁的延性

5、靠的是箍筋， 箍筋约束混凝土， 可延长混凝土从受压到破坏的时间。 地震时产 生的水平剪力主要靠箍筋来承担，这也是需要提高延性时采用箍筋加密的根本原因。 而梁的纵筋主要用来承担竖向荷载产生的弯矩。 梁的底面和顶面纵筋的比值是用来提高 梁端的塑性转动能力，不是梁延性的主要控制因素。 “强梁弱柱 ”破坏分析 抗震设计中 , 强“柱弱梁 ”、“强剪弱弯 ”、“强节点弱杆件 ”一直是各国抗震规范所强调的 , 但 汶川地震的实际情况不容乐观。实现 “强柱弱梁 ”现,行规范存在不足。叶列平等 2 就“强柱 弱梁 ”未能实现的原因提出诸多观点 , 认为出现这一破坏现象的原因有 : 填充墙等非结构构 件的影响

6、;楼板对框架梁的承载力和刚度增大的影响 ; 框架梁跨度和荷载过大 , 使梁截面尺 寸增大 , 梁端抗弯承载力增大 ; ! 梁端超配筋和钢筋实际强度超强 ; ? 柱轴压比限值规定偏 高 , 柱截面尺寸偏小 ; # 柱最小配筋率和最小配箍率偏小 ; ? 大震下结构受力状态与结构 弹性受力状态存在差异 ; % 梁柱可靠度的差异。 现阶段而言 , 应主要考虑以下几个方面的因素。 1. 1 填充墙等非结构构件影响 填充墙作为框架结构的重要组成部分 , 主要起围护作用 , 而不作为受力构件存在。但其存在 不可避免地影响结构受力性能 : 结构错层处、楼梯、窗下等部位 , 填充墙使框架长柱变成短 柱, 发生剪

7、切破坏 ;同一楼层间填充墙位置、 数量的变化 , 在水平方向改变结构的侧向刚度分 布, 从而改变地震内力的分布 ;不同楼层间填充墙位置、 数量的变化 , 在竖直方向改变层间刚 度分布 , 形成“薄弱层 ”最,终导致 “层屈服机制 ”的出现。现行抗震规范 3 第 3. 7. 4 条规定 : 围护墙和隔墙应考虑对结构抗震的不利影响 ，避免不合理设置而导致主体结构的破坏 ，但未 给出如何考虑填充墙对结构抗震不利影响的具体方法。 工程计算中常采用考虑非承重墙刚度 对结构自振周期的折减系数 T来调整结构的自振周期，从而影响地震力的计算，这事实上 是远远不够的。笔者通过有限元程序分析一典型框架结构 (结构

8、尺寸及布置如图 2,底层层 高3. 9 m,其余为3. 3m,共10层,梁、板混凝土强度等级为 C30、柱为C35)不同填充墙材 料、不同空间布置时，在T aft地震波、El-Cent ro地震波和广州人工波作用下的结构地震 反应，认为： (1) 填充墙材料性质造成其自身刚度的不同 ，随填充墙自身刚度减小，对框架抗侧刚度的贡 献减小， 依次是标准砖、空心砖、加砌混凝土砌块 ，但即使采用低强度砌块，填充墙刚度对框架结构 的影响也不能完全忽略。 (2) 结构同一层随隔墙数量增加 ，周期减小，结构刚度变大，层间刚度突变越来越不明显 ， 当上下层 的隔墙布置仅有少量差异时，结构周期非常接近，影响很小。

9、 (3) 令楼层填充墙截面面积与其上相邻一层填充墙截面面积之比为 w ,当某层 时, 应将该 层视为 薄弱层”。为保证有足够的安全度，实际设计过程中，建议 w不低于60%。 町料盖样声均掴塔 4L5LMI14 (C Hi JI * ( 4) “薄弱层 ”在底层时 , 对结构整体性能影响最大 , 地震力作用下底层发生破坏的可能性最 大; “薄弱层”往顶层移动 , 只在“薄弱层 ”位置处位移增大 ,刚度突变 , 上下层刚度比增加 , 但 与其上相邻三层刚 度均值之比却在减小 , 刚度比不满足规范要求 ; 薄“弱层 ”在顶层时 , 对结构整体影响最小。 ( 5) “薄弱层 ”填充墙的数量及其在楼层中

10、的位置是影响自振周期计算的两个主要原因 ; 随 “薄弱层 ”位置不同 , 填充墙对框架抗侧刚度的参与率不同 , 随高度增加而有所减小 , 建议规 范提出考虑填充墙影响的框架抗侧刚度计算模型。 1. 2 楼板对框架梁承载力及刚度的影响框架结构中 力, 一定程度上提高了框架梁的抗弯刚度和承载力。 主要因素有节点类型、 横向梁刚度以及侧向位移值 弯承载力增大20%30%,甚至有些情况下会增大近 1倍5。但结构设计中仅考虑楼板对 框架梁抗弯刚度的提高 , 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的增 大系数。此做法虽然增大了梁端弯矩 , 但同时亦增大了梁的配筋 , 且楼板钢筋

11、的作用未计入。 因此 ,要真正实现 “强柱弱梁 ”的设计目标 , 必须考虑楼板有效翼缘宽度范围内 , 梁受到的增 强作用 , 并将其等效为 T 形或者 形梁进行设计计算。 1. 3 柱轴压比的影响 文献 3 规定, 框架结构柱的轴压比限值在 0. 70. 9 之间, 随抗震等级提高而减小。与日 本规范相比 , 我国规范的轴压比要大很多 , 是其 2 3 倍。轴压比限值越高 , 柱的截面允许尺 寸就越小。这一做法虽然能够满足使用空间大、美观经济的要求 , 但减小了安全储备 , 同时 降低了梁柱线刚度比 , 使得 “强柱弱梁 ”机制难以实现。 2 抗震规范对 “强柱弱梁 ”的考虑现行抗震规范对 “

12、强柱弱梁 ”的考虑主要通过调整梁端柱端 弯矩的比值来控制。由于地震的复杂性、楼板的影响、钢筋屈服强度的超强 , 楼板与梁共同浇注 , 实际参与梁的受 影响现浇楼板对框架梁增强作用程度的 4 。楼板内的钢筋会使框架梁的实际抗 , 难以通过精确 的计算真正实现 “强柱弱梁 规范最新修订稿 6 即送审稿对上述条款作了适当调整 , 提高了框架结构的柱端弯矩增大 系数, 从原先的 “一级取 1. 4、二级取 1. 2、三级取 1. 1 提”高,到 “一级取 1. 7、二级取 1. 5、 三级取 1. 3; 其他结构类型中的框架 , 一级取 1. 4、二级取 1. 2、三、四级取 1. 1 。”为了防止

13、底层柱底过早出现塑性屈服 , 对原先的 “一、二、三级框架结构的底层 , 柱下端截面组合的弯 矩设计值 , 应分别乘以增大系数 1. 5、1. 25和 1. 15 ”提,高到 “一、二、三、四级框架结构的 底层, 柱下端截面组合的弯矩设计值 , 应分别乘以增大系数 1. 7、1. 5、1. 3 和 1. 2 。”同时指 出 , 要真正实现 “强柱弱梁 ”除,了按实际配筋计算外 , 还应计入梁两侧有效翼缘范围楼板钢 筋的影响。 所以送审稿虽在一定程度上加大了框架柱的配筋量 , 但能否真正实现 “强柱弱梁 ” 尚存在疑问。 送审稿（ 文献 6 ） 同时修改了框架结构的抗震等级确定条件 , 将文献

14、3 中以30 m 为界 限区分不同设防烈度区域的抗震等级 , 改为以 24 m 作为界限高度 ; 并将柱轴压比限值 , 从 原先的一级取 0. 7、二级取 0. 8、三级取 0. 9, 降低为一级取 0. 65、二级取 0. 75、三级取 0. 85。 这对2430 m高的框架结构来讲,承载力得到较大提升,同时,柱轴压比限值的减小一定 程度上提升了柱的承载力和刚度。 此外, 送审稿从“强剪弱弯”角度出发, 提高了柱剪力增大系数 : 由原先的一级取 1. 4、二级取 1. 2、三级取 1. 1, 提高到一级取 1. 5、二级取 1. 3、三级取 1. 2。“强柱弱梁 ”破坏机制的实 现受到众多实

15、际因素的制约 , 必须进一步研究填充墙等非结构构件对梁柱刚度的影响并体 现到设计计算中去 ; 必须进一步研究现浇楼板对梁刚度和承载力的影响 , 并在实际设计中予 以考虑 ; 还需要更为严格地限制柱的轴压比 , 以提高柱的刚度至合理范围。 建筑抗震规范送审稿虽然提高了柱的弯矩增大系数和剪力增大系数 , 同时降低了判别框架 结构抗震等级的界限高度 , 使柱承载力得到提高。 算例柱的抗弯承载力提升 10. 8% 33. 1%, 抗剪承载力提升11. 1%19. 3%,但仍 只在一定程度上减缓柱端的屈服 ”在柱承载力提高 的同时 , 结构造价有所提高 ,总造价增加 19. 9%左右。 保证强柱弱梁、强

16、剪弱弯、强节点弱构件的概念设计 为了保证强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件的抗震设计概念，设计中应满足如下要求： 实配柱纵筋和箍筋时， 应考虑梁翼缘板的作用和梁裂缝宽度验算或超配而增加梁纵筋的 影响。 对于大跨度的框架结构，框架柱的线刚度须大于框架梁的线刚度的 1.1 倍。 高层建筑结构柱的最小截面不应小于 350冰00,且须满足梁钢筋的水平锚固的要求。 框架柱纵向钢筋的最小配筋率， 应比建筑抗震设计规范 规定的最小配筋率提高 0.2%， 框架柱纵向钢筋直径宜 1m。 对于底层空旷（如架空层、商场、骑楼等） ,二层以上框架之间有砌体的框架建筑,须 考虑二层以上砌体的侧面刚度, 底层应布置适量的剪

17、力墙或支撑, 控制底层和二层的刚度比, 底层竖向构件地震剪力应乘以 1 .1 5的放大系数。 （6）剪力墙竖向分布钢筋直径应 1m,剪力墙边缘构件（暗柱）钢筋直径应 14mm 汶川地震震害表明, 结构柱底或柱顶破坏严重, 未能体现强柱弱梁、 强剪弱弯的设计概念, 由于梁翼缘板和梁裂缝宽度验算增加的梁纵筋的作用, 低估了梁端的承载力, 相对高估了柱 端承载力,因此在实配柱纵筋和箍筋时,应考虑这部分梁纵筋的影响： 柱增加的单向纵筋和箍筋可按以下简化计算确定：拄焙加的单边纵俺二比给如 申 为了减轻设计人员的工作量，可按以下方法配筋:! 2严 甚中.丁-叫+“; - %如/甲. * H H 一验算OI

18、Wo a） 考虑梁翼缘板的影响时，柱纵筋单边增加 3 （二级钢） ，柱箍筋增加量对于小截面框 架柱（高度 ），在箍筋间距 200 情况下，单边增加 0.503 （即一级钢 ）；对于框架柱截面高 度大于 ，柱箍筋可不增加。 （b）考虑梁裂缝宽度验算或超配影响时，柱纵筋单边增加 50%Agb , Agb为验算裂缝宽度 或超配增加的梁面支座钢筋。柱箍筋应计算其增加量。一般情况下，由于有板的有利作用， 无须再增加梁支座钢筋的数量。 对于大跨度的框架结构，规定了柱截面的最小尺寸，由于梁跨度大，梁截面和梁跨中底 筋较大， 梁底筋全部伸入柱内， 也形成了强梁。 因此框架柱的截面和配筋也应满足强柱弱梁 的设计

19、概念。 对于 4-6.8m 跨度的高层框架剪力墙结构，按照规范的轴压比要求设置柱截面，截面尺 寸偏小，有些可达到 350 350 mm,需控制最小的截面尺寸，且还须满足梁的纵筋的水平锚 固要求； 柱纵向钢筋按规范最小配筋率配制钢筋时， 柱钢筋直径偏小，很多工程采用 1牟冈筋即 可达到要求； 设计时未考虑梁翼缘板对梁端承载力提高, 不能满足强柱弱梁的设计概念, 因 此规定柱最小的配筋率和直径的最小值。 对于底层空旷（二层以上框架之间有砌体）的建筑,底层结构柱在汶川地震震害非常严 重,震害表明, 二层以上砌体对侧向刚度贡献还是很大的, 这会造成底层和二层以上的刚度 比相差较大,底层存在软弱层, 设计时需考虑上、 下层刚度的差异,最直接有效