如何理解“强柱弱梁-强剪弱弯-强节点”

1强柱弱梁1.1“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。1.2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。1.3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。1.4哪些因素导致无法准确实现“强柱弱梁”？①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。②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。③由于设计习惯和钢筋需要归并等原因造成梁配筋的增大。2强剪弱弯2.1“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。2.2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。2.3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）。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，设臵附加箍筋和弯起钢筋。3强节点弱构件3.1“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。3.2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。3.3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。3.4“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;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。3.4.1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,发生剪切破坏;同一楼层间填充墙位臵、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臵、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,避免不合理设臵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(结构尺寸及布臵如图2,底层层高3.9m,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、不同空间布臵时,在Taft地震波、El-Centro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,当上下层的隔墙布臵仅有少量差异时,结构周期非常接近,影响很小。(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w≤45%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%。(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”位臵处位移增大,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的位臵是影响自振周期计算的两个主要原因;随“薄弱层”位臵不同,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。3.4.2楼板对框架梁承载力及刚度的影响框架结构中,楼板与梁共同浇注,实际参与梁的受力,一定程度上提高了框架梁的抗弯刚度和承载力。影响现浇楼板对框架梁增强作用程度的主要因素有节点类型、横向梁刚度以及侧向位移值[4]。楼板内的钢筋会使框架梁的实际抗弯承载力增大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。3.4.3柱轴压比的影响文献[3]规定,框架结构柱的轴压比限值在0.7～0.9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。3.5抗震规范对“强柱弱梁”的考虑现行抗震规范对“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,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[3]中以30m为界限区分不同设防烈度区域的抗震等级,改为以24m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24～30m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。3.6保证强柱弱梁、强剪弱弯、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：⑴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。⑵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。⑶高层建筑结构柱的最小截面不应小于350×400，且须满足梁钢筋的水平锚固的要求。⑷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≥16㎜。⑸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，底层应布臵适量的剪力墙或支撑，控制底层和二层的刚度比，底层竖向构件地震剪力应乘以1.15的放大系数。(6)剪力墙竖向分布钢筋直径应≥10㎜，剪力墙边缘构件（暗柱）钢筋直径应≥14㎜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：为了减轻设计人员的工作量，可按以下方法配筋：（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。⑵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概念。⑶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臵柱截面，截面尺寸偏小，有些可达到350×350㎜，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；⑷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Φ14钢筋即可达到要求；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。⑸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