如何理解“強(qiáng)柱弱梁-強(qiáng)剪弱彎-強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”

1、1強(qiáng)柱弱梁1.1“強(qiáng)柱弱梁”的本質(zhì)指梁柱節(jié)點(diǎn)處，柱端實(shí)際受彎承載力大于梁端實(shí)際受彎承載力。1.2為什么要保證“強(qiáng)柱弱梁”？因?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)的變形能力與其破壞機(jī)制有很大的關(guān)系。研究表明：梁先屈服，即梁端先出現(xiàn)塑性鉸，可使整個(gè)框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的內(nèi)力重分布，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耗能能力和極限層間位移，抗震性能較好。若柱先屈服，則可能使整個(gè)結(jié)構(gòu)變成幾何可變體系，造成結(jié)構(gòu)倒塌。1.3怎樣保證“強(qiáng)柱弱梁”？一般采用增大柱端彎矩設(shè)計(jì)值的方法（框架抗震等級(jí)為一、二、三級(jí)時(shí)，柱端彎矩增大系數(shù)分別取1.4、1.2、1.1），PKPM程序自動(dòng)考慮這一規(guī)定。1.4哪些因素導(dǎo)致無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”？ 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí)考慮了樓板

2、的約束作用（梁截面為T形，PKPM中以邊梁和中梁的剛度放大系數(shù)來考慮），但梁的承載力設(shè)計(jì)時(shí)仍以矩形截面來配筋，并沒有考慮樓板的約束作用，低估了梁的承載能力。實(shí)際應(yīng)該這樣處理：按T形截面進(jìn)行的內(nèi)力分析，就應(yīng)根據(jù)所得的承載力按T形截面進(jìn)行配筋；或者將按T形截面進(jìn)行內(nèi)力分析后所得的承載力除以梁剛度放大系數(shù)，然后按矩形截面進(jìn)行配筋。 梁端配筋采用的是柱中線處的內(nèi)力，而實(shí)際上應(yīng)該采用柱邊的內(nèi)力，而柱中線處的內(nèi)力比柱邊的內(nèi)力大約20%，實(shí)際上增加了梁端的配筋。 由于設(shè)計(jì)習(xí)慣和鋼筋需要?dú)w并等原因造成梁配筋的增大。2強(qiáng)剪弱彎2.1“強(qiáng)剪弱彎”的本質(zhì)指梁、柱和剪力墻底部的斜截面實(shí)際受剪承載力大于實(shí)際受彎承載力。

3、2.2為什么要保證“強(qiáng)剪弱彎”？因?yàn)閺澢茐氖茄有云茐?，有一定的征兆，如裂縫、撓度等；而剪切破壞是脆性破壞，沒有任何預(yù)兆突然破壞。所以要保證構(gòu)件在發(fā)生彎曲破壞前不產(chǎn)生剪切破壞。2.3怎樣保證“強(qiáng)剪弱彎”？一般采用增大梁端、柱和剪力墻剪力增大系數(shù)的方法（框架抗震等級(jí)為一、二、三級(jí)時(shí)，梁端剪力增大系數(shù)分別為1.3、1.2、1.1；柱剪力增大系數(shù)分別為1.4、1.2、1.1；剪力墻抗震等級(jí)為一、二、三級(jí)時(shí)，剪力墻剪力增大系數(shù)分別為1.6、1.4、1.2）。PKPM程序自動(dòng)考慮這一規(guī)定。具體配筋時(shí)，可采取以下措施來盡量保證“強(qiáng)剪弱彎”：1，增大箍筋直徑，減小箍筋間距。2，必要時(shí)，某些構(gòu)件的箍筋可全長加

4、密，如連梁、短柱等。3，主次梁交接處，設(shè)臵附加箍筋和彎起鋼筋。3強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件3.1“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的本質(zhì)指節(jié)點(diǎn)區(qū)域的實(shí)際承載力大于構(gòu)件的實(shí)際承載力。3.2為什么要保證“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”？因?yàn)楣?jié)點(diǎn)失效，與之相連的梁柱等構(gòu)件全部失效，結(jié)構(gòu)也坍塌失效。3.3如何保證“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”？一般通過構(gòu)造措施來解決，如規(guī)定梁縱筋的錨固長度、錨固形式等，詳見混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范10.4節(jié)梁柱節(jié)點(diǎn)。梁的延性靠的是箍筋，箍筋約束混凝土，可延長混凝土從受壓到破壞的時(shí)間。地震時(shí)產(chǎn)生的水平剪力主要靠箍筋來承擔(dān)，這也是需要提高延性時(shí)采用箍筋加密的根本原因。而梁的縱筋主要用來承擔(dān)豎向荷載產(chǎn)生的彎矩。梁的底面和頂面縱筋的比值是用來

5、提高梁端的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，不是梁延性的主要控制因素。3.4“強(qiáng)梁弱柱”破壞分析抗震設(shè)計(jì)中, “強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”一直是各國抗震規(guī)范所強(qiáng)調(diào)的, 但汶川地震的實(shí)際情況不容樂觀。實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”,現(xiàn)行規(guī)范存在不足。葉列平等 2 就“強(qiáng)柱弱梁”未能實(shí)現(xiàn)的原因提出諸多觀點(diǎn), 認(rèn)為出現(xiàn)這一破壞現(xiàn)象的原因有: 填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響;樓板對(duì)框架梁的承載力和剛度增大的影響; 框架梁跨度和荷載過大, 使梁截面尺寸增大, 梁端抗彎承載力增大; ! 梁端超配筋和鋼筋實(shí)際強(qiáng)度超強(qiáng); 柱軸壓比限值規(guī)定偏高, 柱截面尺寸偏小; # 柱最小配筋率和最小配箍率偏小; 大震下結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)彈性受力狀

6、態(tài)存在差異; % 梁柱可靠度的差異。現(xiàn)階段而言, 應(yīng)主要考慮以下幾個(gè)方面的因素。填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件影響填充墻作為框架結(jié)構(gòu)的重要組成部分, 主要起圍護(hù)作用, 而不作為受力構(gòu)件存在。但其存在不可避免地影響結(jié)構(gòu)受力性能: 結(jié)構(gòu)錯(cuò)層處、樓梯、窗下等部位, 填充墻使框架長柱變成短柱, 發(fā)生剪切破壞;同一樓層間填充墻位臵、數(shù)量的變化, 在水平方向改變結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度分布, 從而改變地震內(nèi)力的分布;不同樓層間填充墻位臵、數(shù)量的變化, 在豎直方向改變層間剛度分布, 形成“薄弱層”,最終導(dǎo)致“層屈服機(jī)制”的出現(xiàn)?，F(xiàn)行抗震規(guī)范 3 第3. 7. 4 條規(guī)定: 圍護(hù)墻和隔墻應(yīng)考慮對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的不利影響, 避免不合理設(shè)臵

7、而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞, 但未給出如何考慮填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利影響的具體方法。工程計(jì)算中常采用考慮非承重墻剛度對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期的折減系數(shù)T 來調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振周期, 從而影響地震力的計(jì)算, 這事實(shí)上是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。筆者通過有限元程序分析一典型框架結(jié)構(gòu)( 結(jié)構(gòu)尺寸及布臵如圖2, 底層層高3. 9 m, 其余為3. 3m, 共10 層, 梁、板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、柱為C35)不同填充墻材料、不同空間布臵時(shí), 在T aft 地震波、El-Cent ro 地震波和廣州人工波作用下的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng), 認(rèn)為:( 1) 填充墻材料性質(zhì)造成其自身剛度的不同, 隨填充墻自身剛度減小, 對(duì)框架抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)減小,依次是

8、標(biāo)準(zhǔn)磚、空心磚、加砌混凝土砌塊, 但即使采用低強(qiáng)度砌塊, 填充墻剛度對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響也不能完全忽略。( 2) 結(jié)構(gòu)同一層隨隔墻數(shù)量增加, 周期減小, 結(jié)構(gòu)剛度變大, 層間剛度突變?cè)絹碓讲幻黠@, 當(dāng)上下層的隔墻布臵僅有少量差異時(shí), 結(jié)構(gòu)周期非常接近, 影響很小。( 3) 令樓層填充墻截面面積與其上相鄰一層填充墻截面面積之比為w , 當(dāng)某層w 45%時(shí), 應(yīng)將該層視為“薄弱層”。為保證有足夠的安全度, 實(shí)際設(shè)計(jì)過程中, 建議w 不低于60% 。( 4) “薄弱層”在底層時(shí), 對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能影響最大, 地震力作用下底層發(fā)生破壞的可能性最大; “薄弱層”往頂層移動(dòng), 只在“薄弱層”位臵處位移增大,剛度

9、突變, 上下層剛度比增加, 但與其上相鄰三層剛度均值之比卻在減小, 剛度比不滿足規(guī)范要求; “薄弱層”在頂層時(shí), 對(duì)結(jié)構(gòu)整體影響最小。 ( 5) “薄弱層”填充墻的數(shù)量及其在樓層中的位臵是影響自振周期計(jì)算的兩個(gè)主要原因; 隨“薄弱層”位臵不同, 填充墻對(duì)框架抗側(cè)剛度的參與率不同, 隨高度增加而有所減小, 建議規(guī)范提出考慮填充墻影響的框架抗側(cè)剛度計(jì)算模型。 樓板對(duì)框架梁承載力及剛度的影響框架結(jié)構(gòu)中, 樓板與梁共同澆注, 實(shí)際參與梁的受力, 一定程度上提高了框架梁的抗彎剛度和承載力。影響現(xiàn)澆樓板對(duì)框架梁增強(qiáng)作用程度的主要因素有節(jié)點(diǎn)類型、橫向梁剛度以及側(cè)向位移值 4 。樓板內(nèi)的鋼筋會(huì)使框架梁的實(shí)際抗

10、彎承載力增大20%30%, 甚至有些情況下會(huì)增大近1 倍 5 。但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中僅考慮樓板對(duì)框架梁抗彎剛度的提高, 將中梁和邊梁的剛度按原框架梁矩形截面剛度乘2. 0 或1. 5的增大系數(shù)。此做法雖然增大了梁端彎矩, 但同時(shí)亦增大了梁的配筋, 且樓板鋼筋的作用未計(jì)入。因此,要真正實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)目標(biāo), 必須考慮樓板有效翼緣寬度范圍內(nèi), 梁受到的增強(qiáng)作用, 并將其等效為T 形或者 形梁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 柱軸壓比的影響文獻(xiàn) 3 規(guī)定, 框架結(jié)構(gòu)柱的軸壓比限值在0. 70. 9 之間, 隨抗震等級(jí)提高而減小。與日本規(guī)范相比, 我國規(guī)范的軸壓比要大很多, 是其23 倍。軸壓比限值越高, 柱的截面允許尺

11、寸就越小。這一做法雖然能夠滿足使用空間大、美觀經(jīng)濟(jì)的要求, 但減小了安全儲(chǔ)備, 同時(shí)降低了梁柱線剛度比, 使得“強(qiáng)柱弱梁”機(jī)制難以實(shí)現(xiàn)。3.5抗震規(guī)范對(duì)“強(qiáng)柱弱梁”的考慮現(xiàn)行抗震規(guī)范對(duì)“強(qiáng)柱弱梁”的考慮主要通過調(diào)整梁端柱端彎矩的比值來控制。由于地震的復(fù)雜性、樓板的影響、鋼筋屈服強(qiáng)度的超強(qiáng), 難以通過精確的計(jì)算真正實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”。規(guī)范最新修訂稿 6 即送審稿對(duì)上述條款作了適當(dāng)調(diào)整, 提高了框架結(jié)構(gòu)的柱端彎矩增大系數(shù), 從原先的“一級(jí)取1. 4、二級(jí)取1. 2、三級(jí)取1. 1”,提高到“一級(jí)取1. 7、二級(jí)取1. 5、三級(jí)取1. 3; 其他結(jié)構(gòu)類型中的框架, 一級(jí)取1. 4、二級(jí)取1. 2、三、

12、四級(jí)取1. 1”。為了防止底層柱底過早出現(xiàn)塑性屈服, 對(duì)原先的“一、二、三級(jí)框架結(jié)構(gòu)的底層, 柱下端截面組合的彎矩設(shè)計(jì)值, 應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1. 5、1. 25和1. 15”,提高到“一、二、三、四級(jí)框架結(jié)構(gòu)的底層, 柱下端截面組合的彎矩設(shè)計(jì)值, 應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1. 7、1. 5、1. 3 和1. 2”。同時(shí)指出, 要真正實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”,除了按實(shí)際配筋計(jì)算外, 還應(yīng)計(jì)入梁兩側(cè)有效翼緣范圍樓板鋼筋的影響。所以送審稿雖在一定程度上加大了框架柱的配筋量, 但能否真正實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”, 尚存在疑問。送審稿( 文獻(xiàn) 6 ) 同時(shí)修改了框架結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)確定條件, 將文獻(xiàn) 3 中以30 m 為界限

13、區(qū)分不同設(shè)防烈度區(qū)域的抗震等級(jí), 改為以24 m 作為界限高度; 并將柱軸壓比限值, 從原先的一級(jí)取0. 7、二級(jí)取0. 8、三級(jí)取0. 9, 降低為一級(jí)取0. 65、二級(jí)取0. 75、三級(jí)取0. 85。這對(duì)2430 m 高的框架結(jié)構(gòu)來講, 承載力得到較大提升, 同時(shí), 柱軸壓比限值的減小一定程度上提升了柱的承載力和剛度。此外, 送審稿從“強(qiáng)剪弱彎”角度出發(fā), 提高了柱剪力增大系數(shù): 由原先的一級(jí)取1. 4、二級(jí)取1. 2、三級(jí)取1. 1, 提高到一級(jí)取1. 5、二級(jí)取1. 3、三級(jí)取1. 2?！皬?qiáng)柱弱梁”破壞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)受到眾多實(shí)際因素的制約, 必須進(jìn)一步研究填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)梁柱剛度的影響

14、并體現(xiàn)到設(shè)計(jì)計(jì)算中去; 必須進(jìn)一步研究現(xiàn)澆樓板對(duì)梁剛度和承載力的影響, 并在實(shí)際設(shè)計(jì)中予以考慮; 還需要更為嚴(yán)格地限制柱的軸壓比, 以提高柱的剛度至合理范圍。建筑抗震規(guī)范送審稿雖然提高了柱的彎矩增大系數(shù)和剪力增大系數(shù), 同時(shí)降低了判別框架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)的界限高度, 使柱承載力得到提高。算例柱的抗彎承載力提升10. 8% 33. 1%, 抗剪承載力提升11. 1% 19. 3%, 但仍“只在一定程度上減緩柱端的屈服”。在柱承載力提高的同時(shí), 結(jié)構(gòu)造價(jià)有所提高,總造價(jià)增加19. 9%左右。3.6保證強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的概念設(shè)計(jì)為了保證強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)概念，設(shè)計(jì)

15、中應(yīng)滿足如下要求： 實(shí)配柱縱筋和箍筋時(shí)，應(yīng)考慮梁翼緣板的作用和梁裂縫寬度驗(yàn)算或超配而增加梁縱筋的影響。 對(duì)于大跨度的框架結(jié)構(gòu)，框架柱的線剛度須大于框架梁的線剛度的1.1倍。 高層建筑結(jié)構(gòu)柱的最小截面不應(yīng)小于350×400，且須滿足梁鋼筋的水平錨固的要求。 框架柱縱向鋼筋的最小配筋率，應(yīng)比建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的最小配筋率提高0.2%，框架柱縱向鋼筋直徑宜16。 對(duì)于底層空曠（如架空層、商場(chǎng)、騎樓等），二層以上框架之間有砌體的框架建筑，須考慮二層以上砌體的側(cè)面剛度，底層應(yīng)布臵適量的剪力墻或支撐，控制底層和二層的剛度比，底層豎向構(gòu)件地震剪力應(yīng)乘以1.15的放大系數(shù)。(6) 剪力墻豎向分布鋼

16、筋直徑應(yīng)10，剪力墻邊緣構(gòu)件（暗柱）鋼筋直徑應(yīng)14 汶川地震震害表明，結(jié)構(gòu)柱底或柱頂破壞嚴(yán)重，未能體現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)概念，由于梁翼緣板和梁裂縫寬度驗(yàn)算增加的梁縱筋的作用，低估了梁端的承載力，相對(duì)高估了柱端承載力，因此在實(shí)配柱縱筋和箍筋時(shí)，應(yīng)考慮這部分梁縱筋的影響：柱增加的單向縱筋和箍筋可按以下簡化計(jì)算確定：為了減輕設(shè)計(jì)人員的工作量，可按以下方法配筋：（a） 考慮梁翼緣板的影響時(shí)，柱縱筋單邊增加3 （二級(jí)鋼），柱箍筋增加量對(duì)于小截面框架柱（高度 ），在箍筋間距200 情況下，單邊增加0.503 (即一級(jí)鋼 )；對(duì)于框架柱截面高度大于 ，柱箍筋可不增加。（b）考慮梁裂縫寬度驗(yàn)算或超配影響

17、時(shí)，柱縱筋單邊增加50%Agb，Agb為驗(yàn)算裂縫寬度或超配增加的梁面支座鋼筋。柱箍筋應(yīng)計(jì)算其增加量。一般情況下，由于有板的有利作用，無須再增加梁支座鋼筋的數(shù)量。 對(duì)于大跨度的框架結(jié)構(gòu)，規(guī)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較大，梁底筋全部伸入柱內(nèi)，也形成了強(qiáng)梁。因此框架柱的截面和配筋也應(yīng)滿足強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)概念。 對(duì)于4-6.8m跨度的高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，按照規(guī)范的軸壓比要求設(shè)臵柱截面，截面尺寸偏小，有些可達(dá)到350×350，需控制最小的截面尺寸，且還須滿足梁的縱筋的水平錨固要求； 柱縱向鋼筋按規(guī)范最小配筋率配制鋼筋時(shí)，柱鋼筋直徑偏小，很多工程采用14鋼筋即可達(dá)到要求；設(shè)計(jì)時(shí)未考慮梁翼緣板對(duì)梁端承載力