1、RC 框架结构强柱弱梁影响因素分析及设计建议摘要 “强柱弱梁”屈服机制是 RC 框架结构的抗震设计原则。但由于现浇楼板和填充墙等因素的影响，很多实际 RC 框架结构无法实现这种屈服机制。本文阐述了实现 “强柱弱梁”屈服机制的主要影响因素，研究了引起梁实际抗弯能力超强的原因，并提出改进建议和抗震设计建议，以期指导框架结构的抗震设计，真正实现“强柱弱梁”设计要求，为“强柱弱梁”框架结构设计提供理论依据。 关键词框架结构 强柱弱梁 现浇楼板 填充墙 隔震 中图分类号：TU323.5 文献标识码： A 文章编号： 1. 引 言 框架结构被普遍地应用于多层建筑中，但由于其整体结构刚度小、冗余度低，造成其
2、抵抗强震和抗倒塌能力弱,在强震中易造成较大损失，震后修复困难，修复费用较高。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” 。 “强柱弱梁”机制结构至少存在两道抗震防线：1)从弹性阶段到部分梁出现塑性铰；2)从梁塑性铰发生较大转动到柱根部破坏。在这两道防线之间，结构的弹塑性变形能消耗掉大量的地震输入能量。 2. 规范规定 为避免“强梁弱柱”现象在钢筋混凝土框架结构中出现，我国建筑抗震设计规范(GB500112010)给出了如何实现“强柱弱梁”的相关规定，具体内容如下：针对一、二、三、四级框架的梁柱节点处，除框架柱顶和柱轴压比小于 0.15 者及
3、框支梁与框支柱的节点外，柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求： (JGJ3-2010)高层建筑混凝土结构技术规程第 6.2.1 条以及(GB50010-2010)混凝土结构设计规范第 11.4.2 条均有类似的规定。 3. 震害实例 汶川地震是我国建国以来最为强烈的一次地震，震害严重且有多种破坏形态。如图 1： 图 1 强梁弱柱破坏情况 文献1的研究表明绝大多数的震害都表现为柱铰破坏，其中底层柱的破坏比例最大。 4. 影响强柱弱梁屈服机制实现的主要因素 4.1 现浇楼板的影响 造成地震区出现大量“强梁弱柱”屈服机制的具体原因有诸多方面：首先是现浇楼板对框架梁的增强作用。主要体现在两方面：1)梁端
4、承受正弯矩时，楼板和框架梁共同组成 T 形截面，增加了框架梁的受压区宽度，进而增加梁端抗弯承载力和抗弯刚度；2)梁端承受负弯矩时，楼板内配筋相当于增加了框架梁的负弯矩筋，也会显著增强框架梁的抗负弯矩承载力。在很多设计中，没有考虑现浇楼板的平面外刚度，忽略了楼板对梁刚度和强度上的提高，造成了框架梁的“超强”现象，最终出现了“强梁弱柱”型的破坏形式。 建筑抗震设计规范(GB500112010)条文说明第 6.2.2 条中指出：当计算梁端抗震受弯承载力时，若计入楼板的钢筋，且材料强度标准值考虑一定的超强系数，则可提高框架结构“强柱弱梁”的程度。但对如何考虑楼板的影响，却没有更具体的规定。文献5和6的
5、研究表明，楼板内的钢筋会使框架梁的实际抗弯能力增大 20%30%，对于大多数情况下的二、三级框架，这种增大幅度都已超过建筑抗震设计规范(GB500112010)第 6.2.2 条所取用的柱端弯矩增大系数。若再考虑其它因素所引起的框架梁的超配筋情况，则一级框架也可能满足不了抗震规范第 6.2.2 条所规定的一级框架的“强柱弱梁”的要求。 目前结构设计常规做法中，一般不直接考虑楼板的平面外刚度，只是通过放大框架梁刚度的方法来近似考虑楼板平面外的刚度，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 的增大系数，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
6、抗弯纵筋仍配置在梁矩形截面内，楼板仍按自身受力计算，另外在楼板中配筋没有考虑楼板内与梁肋平行的钢筋，这对“强柱弱梁”机制是不利的。 4.2 填充墙的影响 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，但因其刚度大，承载力低，抗变形能力差，同时填充墙减小了主体结构的自振周期，增大了结构的地震作用，实际震害表明填充墙的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，填充墙使框架柱变成短柱，发生剪切破坏（如图 2） ；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
7、刚度分布，形成“薄弱层” ，最终导致“层屈服机制”的出现。对墙体布置较多的框架结构，若填充墙在建筑中分布不均匀，则易造成框架结构刚度中心较大偏离于计算模型中的刚度中心，而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。目前，规范及现有计算手段尚无法对填充墙对结构刚度的影响进行量化分析，规范只是用一个统一的周期折减系数来近似考虑填充墙对结构刚度的影响，对整个结构而言，未免过于粗糙。 图 2 汶川地震框架结构短柱破坏情况 4.3 梁端实配钢筋的超配和钢筋的超强及超屈服的影响 实际工程中，梁配筋设计大部分都是采用国家标准图集 03G101-1，设计和施工时往往不区分具体情况而盲目套用图集
8、，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控制作用时，所有底筋均统一锚固在柱支座处，造成梁柱节点处钢筋过多，同时也影响混凝土的浇筑质量，对实现“强柱弱梁”极为不利。当下部钢筋排数多于一排时，全部钢筋均伸入柱支座，这种不利影响会更大。梁端钢筋的超配又加大了梁端实际受弯承载力与计算受弯承载力的差距，再加上钢筋的超强和超屈服使得这种差距更大。而建筑抗震设计规范(GB500112010)条文说明第 6.2.2 条中明确指出：在梁端实配钢筋不超过计算配筋 10%的前提下，在梁、柱之间的承载力不等式转为梁、柱的地震组合内力设计值的关系式，并使不同抗震等
9、级的柱端弯矩设计值有不同程度的差异；计算梁端实配抗震受弯承载力时，还应计入梁两侧有效翼缘范围的楼板。梁端实配钢筋的超配直接影响梁端实际受弯承载力，因此必须合理控制梁端实配钢筋与计算钢筋的比例。 4.4 不合理裂缝宽度验算的影响 梁裂缝宽度验算的内力取柱截面范围内的梁的计算端部，并不是真正的梁端，而所验算的截面是取柱边缘处梁的真实端面，内力取值和实际截面位置不统一，这种内力与计算截面的不一致，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，加大梁端配筋，这不仅造成了浪费，而且节点区配筋过多，使混凝土不易振捣，影响混凝土密实度，更不易实现“强柱弱梁” 。同时抗震调幅与梁端裂缝挠度计算的矛
10、盾，也增加了实现“强柱弱梁”机制的负担。实际工程中，构件的变形会受到支承边界的约束，因此引起的粘结破坏和引发次生裂缝的程度会小很多。 4.5 柱轴压比的影响 相比美国 ACI 规范，我国抗震规范所要求的柱的轴压比限制规定偏高，最小配筋率总体偏小；与日本规范相比,我国规范的轴压比要大很多,是其 23 倍。当柱按较高的轴压比限制控制设计时，使得柱截面尺寸过小，长细比偏大，在地震过程中容易造成柱压碎破坏，文献7表明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，因此适当控制柱轴压比对实现“强柱弱梁”机制是非常有益处的。 4.6 梁柱刚度比的影响 在结构承受较大荷载或梁跨度较大的时，
11、当梁柱刚度比超过一定值，在水平侧向力作用下，框架柱的相对弯矩增幅会大于框架梁的相对弯矩增幅，框架柱会先于框架梁达到抗弯承载力而出现柱铰。当层间剪切变形达到一定程度后，即便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。 5 结构设计建议 1)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。在计算上，应充分考虑现浇楼板平面外的刚度，可采用壳元细分。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，同时也需要
12、相关计算软件对这方面的计算做相应的分析配合。2)改进填充墙对结构受力性能影响的措施：首先，在框架结构中，采用刚度贡献小的填充墙或填充墙连接形式，设计时再通过周期折减的方式来考虑填充墙对结构的刚度影响。对于填充墙沿竖向分布不均匀的情况如：底层有架空层、商住楼等，为避免“层屈服机制”的出现，可以考虑一层柱顶加入叠层钢板橡胶支座，将其设计成一层柱顶隔震结构。已有的振动台试验、实际结构的现场实测和设计经验均表明，这种隔震结构可以在不影响原有使用功能的前提下，最大限度降低结构的地震反应，基本可以保证大震不坏或破坏很小。3)避免梁端出现钢筋超配现象的措施：首先，要考虑楼板中配筋对梁端配筋的增强作用；其次，
13、在承载能力极限状态计算时，抗震设计的结构应采用考虑结构塑性内力重分布的分析方法，同时采用柱边缘截面处的梁内力设计值，使构件承载力和荷载效应计算截面统一；第三，若柱两端框架梁截面高度相等时，可通过调整梁下部钢筋的直径，使尽量多的梁下部钢筋在柱支座内拉通设置，在支座外搭接，可避免梁柱节点核心区内钢筋过于密集。4)构件的裂缝宽度验算中，宜采用考虑塑性内力重分布的分析方法，采用柱边缘截面处的梁端内力设计值，建议在程序计算中设置梁净跨单元，用于框架梁梁端的裂缝宽度计算。5)框架柱轴压比是影响框架结构“强柱弱梁”机制的重要因素之一，降低框架柱轴压比可使得框架结构的安全储备增加，结构倒塌概率显著降低。6)限
14、制框架柱与框架梁的线刚度比在一个较为合理的范围内，一般可取 1.52.0，尤其是在高设防烈度的地区应避免出现梁柱刚度比过大的情况。 6 结语 “强柱弱梁”破坏机制的实现受到众多实际因素的制约，设计人员应从工程结构的实际受力状况出发，对各种可能的影响因素予以全面考虑，采用合理的结构分析模型和分析方法，将这些因素纳入整体结构的设计计算中，以保证实现“强柱弱梁”屈服机制。 参考文献 1中国建筑科学研究院.2008 年汶川地震建筑震害图片集M.中国建筑工业出版社,2008:80114. 2王威,薛建阳,章红梅,等.框架结构在汶川 5?12 大地震中的震害分析及抗震启示J.世界地震工程, 2009, 2
15、5(4):131-135 3中华人民共和国国家标准.建筑结构抗震设计规范(GB50011-2010)S.2010. 4中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范(GB50010-2010)S.2010. 5唐九如钢筋混凝土框架节点抗震M 南京:东南大学出版社，1989 6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) 7唐代远,陆新征,叶列平,等.柱轴压比对我国 RC 框架结构抗地震倒塌能力的影响A.第十二届高层建筑抗震技术交流会论文集C.2009:35-45. 8蒋永生等.整浇梁板的框架节点抗震研究J.建筑结构学报，1994，12(3). 9王素裹，韩小雷，季静等.轴压比对 RC 框架实现“强柱弱梁”的影响研究J，世界地震工程，2010，26(3):96-101. 作者简介：竟媛勤，女，硕士研究生，西安建筑科技大学
