影響框架結(jié)構(gòu)“強柱弱梁”的主要設(shè)計因素及設(shè)計對策

劉 東，黃 愛

(四川三眾建筑設(shè)計有限公司，四川成都610031)

1 “強柱弱梁”的設(shè)計

“強柱弱梁”是延性框架設(shè)計的一項重要內(nèi)容?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》(2008年版)(GB 50011 －2001)［1］(以下簡稱《抗震規(guī)范》)第6.2.2條條文說明指出:在強震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件不存在強度儲備，梁端實際達(dá)到的彎矩與其受彎承載力是相等的，柱端實際達(dá)到的彎矩也與其偏壓下的受彎承載力相等。這是地震作用效應(yīng)的一個特點。因此所謂“強柱弱梁”指的是:節(jié)點處梁端實際受彎承載力和柱端實際受彎承載力之間滿足:即在大震作用下實現(xiàn)梁鉸機制而不出現(xiàn)柱鉸機制。梁鉸機制優(yōu)于柱鉸機制，是因為梁鉸分散在各層，即塑性變形分散在各層，不至于形成倒塌機構(gòu)，而柱鉸集中在一層，塑性變形集中，該層成為薄弱層后，易形成倒塌機構(gòu);梁鉸的數(shù)量遠(yuǎn)多于柱鉸的數(shù)量，在同樣大小的塑性變形和耗能要求下，對梁鉸的塑性轉(zhuǎn)動能力要求低，對柱鉸的塑性轉(zhuǎn)動能力要求高;梁是受彎構(gòu)件，容易實現(xiàn)大的延性和耗能能力，柱是壓彎構(gòu)件，尤其是軸壓比大的柱，不容易實現(xiàn)大的延性和耗能能力。

有一點必須明確:按規(guī)范規(guī)定設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)，只能適度推遲柱端塑性鉸的出現(xiàn)，而不能避免出現(xiàn)柱端塑性鉸。這一點《抗震規(guī)范》第6.2.2條文有明確說明，“只在一定程度上減緩柱端的屈服”。研究表明，要真正實現(xiàn)“強柱弱梁”，《抗震規(guī)范》第6.2.2條中的系數(shù)ηc不小于1.5。即便如此，目前各國抗震設(shè)計都不能實現(xiàn)完全的梁鉸機制，往往既有梁鉸又有柱鉸的混合鉸機制。

“5·12”汶川大地震中，按規(guī)范要求所設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)，規(guī)范所要求的“強柱弱梁”破壞形態(tài)幾乎沒有出現(xiàn)，反而出現(xiàn)了很多“強梁弱柱”的破壞形態(tài)。以下就對造成這種“強梁弱柱”破壞形態(tài)的原因從設(shè)計的角度作一定的分析。

2 影響“強柱弱梁”的設(shè)計因素

2.1 現(xiàn)澆樓板的影響

現(xiàn)澆樓板在整個結(jié)構(gòu)中發(fā)揮了兩大作用:卸載作用和抗力作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計算分析時，都是假定荷載傳遞途徑為:板→梁→柱。而實際上，很多荷載通過樓板的平面外剛度直接傳給了柱，這樣，根據(jù)假定算出來的框架梁彎矩是個“假”彎矩，和實際情況相差很大。要讓框架梁屈服，樓板就都要屈服，樓板的鋼筋和梁的鋼筋是共同工作的，所以實際上整個現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的框架梁由于樓板的作用得到了增強。

目前常規(guī)設(shè)計中，一般不直接考慮樓板的平面外剛度，只通過放大框架梁剛度的方法來近似考慮樓板平面外的剛度。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(JGJ 3－2002)［2］(以下簡稱《高層規(guī)范》)第5.2.2條有相應(yīng)的規(guī)定。對整體分析而言，這是一種合理的工程近似計算方法。既然內(nèi)力計算時考慮了樓板平面外的剛度，理所當(dāng)然，在框架梁配筋計算時，框架梁端截面配筋應(yīng)按有翼緣的梁進(jìn)行設(shè)計，同時將部分計算配筋配置在距梁邊一定范圍的板內(nèi)，讓梁和此部分板共同承受這部分作用，這樣更符合實際情況。而實際配筋時，卻將全部的計算配筋配置在梁內(nèi)，沒考慮梁邊兩側(cè)一定寬度范圍內(nèi)板筋的共同作用，這導(dǎo)致框架梁實際所能承受的內(nèi)力大于計算值。對于單個框架梁構(gòu)件而言，這意味著樓板平面外剛度引起的內(nèi)力被考慮到框架梁內(nèi)力中去了，這是不符合實際的。

《抗震規(guī)范》第6.2.2條中指出:當(dāng)計算梁端承載力時，若計入樓板的鋼筋，且材料強度標(biāo)準(zhǔn)值考慮一定的超強系數(shù)，則可提高框架結(jié)構(gòu)“強柱弱梁”的程度。但如何考慮樓板的影響，卻沒有更具體的規(guī)定。

研究表明［3］－［4］，樓板內(nèi)的鋼筋會使框架梁的實際抗彎能力增大20% ～30%，僅這種增大幅度，對大多數(shù)情況下的二級和三級框架，都會超過《抗震規(guī)范》第6.2.2條所取用的柱端彎矩增大系數(shù)。若再考慮其它因素所引起的框架梁的超配筋情況，則一級框架也可能滿足不了《抗震規(guī)范》第6.2.2條所規(guī)定的一級框架的“強柱弱梁”的要求。

2.2 梁端實配鋼筋的超配和鋼筋的超強及超屈服的影響

實際工程中，梁端鋼筋的超配(梁端負(fù)彎矩鋼筋、正彎矩鋼筋超配)，加大了梁端實際受彎承載力與計算受彎承載力的差距，再加上鋼筋的超強和超屈服使得這種差距更大。而《抗震規(guī)范》第6.2.2條條文說明中明確指出:該公式是建立在“梁端實配鋼筋不超過計算配筋10%的前提下”的。梁端實配鋼筋的超配直接影響梁端實際受彎承載力，因此必須合理控制梁端實配鋼筋與計算鋼筋的比例。

2.3 彈性計算模型的影響

目前國內(nèi)規(guī)范體系采用彈性方法計算內(nèi)力，在截面設(shè)計時再考慮材料的彈塑性性質(zhì)(《高層規(guī)范》第5.2.3條通過梁端負(fù)彎矩調(diào)幅來近似考慮材料的彈塑性性質(zhì))。結(jié)構(gòu)分析計算中，框架梁端部負(fù)彎矩按梁的計算跨度計算，荷載效應(yīng)計算截面位于梁柱交點處(即在柱范圍中心處，即使考慮剛域時，梁端計算截面也位于柱截范圍內(nèi))，結(jié)構(gòu)計算沒有考慮柱截面寬度對構(gòu)件計算內(nèi)力的影響。而構(gòu)件抗力計算采用的是柱邊梁端截面，抗力和效應(yīng)計算分別采用不同截面，加大了梁端截面配筋?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2002)［5］(以下簡稱《混凝土規(guī)范》)第5.2.6條有明確規(guī)定:對與支承構(gòu)件整體澆筑的梁端，可取支座或節(jié)點邊緣截面的內(nèi)力值進(jìn)行設(shè)計。對于這一點，目前大多數(shù)計算程序沒這個功能。

2.4 不合理裂縫寬度驗算的影響

就《混凝土規(guī)范》中的裂縫寬度驗算公式8.1.2而言，該式主要由原南京工學(xué)院丁大均研究組和中國建筑科學(xué)研究院提出，是從簡支受彎構(gòu)件試驗研究成果得出的，它不適用于連續(xù)梁。但我們的規(guī)范中沒有表示。實際工程中，構(gòu)件的變形會受到支承邊界的約束，因此引起的粘結(jié)破壞和引發(fā)次生裂縫的程度會小很多。

梁裂縫寬度驗算的內(nèi)力取柱截面范圍內(nèi)的梁計算端部，不是真正的梁端，而所驗算的截面取柱邊緣處梁的真實截面，內(nèi)力取值和實際截面位置不統(tǒng)一。這種內(nèi)力與計算截面的不一致，導(dǎo)致梁端計算彎矩過大，梁端裂縫計算值大于實際值，為控制裂縫，不得不加大梁端配筋。

目前，施工圖審查單位常要求設(shè)計單位對各種構(gòu)件都要提供裂縫寬度，而軟件編制單位也都能提供各類構(gòu)件的裂縫寬度，但這種數(shù)據(jù)的可靠性是值得懷疑的。我們常因為計算得出的裂縫寬度過大，而不得不多配鋼筋，這不僅造成了浪費，而且節(jié)點區(qū)配筋過多，使混凝土不易振搗，影響混凝土密實度，更不易實現(xiàn)“強柱弱梁”。

2.5 梁底鋼筋不合理配置的影響

目前，梁詳圖設(shè)計絕大部分都采用國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集03G101(《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》現(xiàn)澆混凝土框架、剪力墻、框架—剪力墻、框支剪力墻結(jié)構(gòu))［6］(以下簡稱《03G101》)。設(shè)計時，柱左右兩端的梁下部鋼筋直徑很多時候不同，若按《03G101》統(tǒng)一在柱支座處錨固搭接，造成梁柱節(jié)點處鋼筋過多，從而影響混凝土的澆筑質(zhì)量，對實現(xiàn)“強柱弱梁”極為不利。當(dāng)下部鋼筋排數(shù)多于一排時，全部鋼筋均伸入柱支座，這種影響更大。

2.6 輕質(zhì)填充墻的影響

框架結(jié)構(gòu)中的砌體填充墻和圍護(hù)墻剛度大，所分配的地震力大，但承載力低，變形能力差，地震中首先承受地震力而破壞。它的存在，減小了主體結(jié)構(gòu)的自震周期，增大了結(jié)構(gòu)的地震作用;而且由于其不均勻布置，改變了主體結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度分布，從而改變了地震作用在各構(gòu)件之間的內(nèi)力分布狀態(tài);它與框架梁共同受力，顯著減少了框架梁彎曲變形，增大了框架梁的剛度和抗彎承載力。填充墻體對框架結(jié)構(gòu)自震周期的影響是復(fù)雜的，隨墻體材料的不同、布置方式的不同而不同。目前，規(guī)范及現(xiàn)有計算手段尚無法對填充墻對結(jié)構(gòu)剛度的影響進(jìn)行量化分析，規(guī)范只用一個統(tǒng)一的周期折減系數(shù)來近似考慮填充墻對結(jié)構(gòu)剛度的影響，對整個結(jié)構(gòu)而言，未免過于粗糙，對具體部位的構(gòu)件而言，就顯得更過于粗糙了。

2.7 柱的軸壓比限制規(guī)定偏高，柱最小配筋率和最小配箍率偏小，柱截面尺寸偏小

柱的最小配筋率可使柱的基本受彎承載力得到一定的保證，而最小配箍率則可保證對核心混凝土的基本約束。相比美國ACI規(guī)范，我國《抗震規(guī)范》所要求的最小配筋率總體偏小。

在最小配箍率方面，美國規(guī)范和我國《抗震規(guī)范》大體相當(dāng)。但美國規(guī)范所要求的箍筋直徑高于我國《抗震規(guī)范》的要求，且美國規(guī)范規(guī)定使用的鋼筋最小屈服強度為280 MPa，最高屈服強度為550 MPa，而我國多用HPB235級鋼筋作箍筋，實際中最高用HRB400級鋼。因此，美國規(guī)范在箍筋方面的要求比我國《抗震規(guī)范》要求的高。

在軸壓比限制方面，日本規(guī)范換算為我國的情況約為0.33，比我國的規(guī)范低很多。由于軸壓比限制偏高，當(dāng)柱按較高的軸壓比限制控制設(shè)計時，使得柱截面尺寸過小，長細(xì)比偏大。

3 設(shè)計對策

3.1 充分考慮現(xiàn)澆樓板的作用

在計算上，充分考慮現(xiàn)澆樓板平面外的剛度，可采用殼元細(xì)分?，F(xiàn)澆樓板內(nèi)的鋼筋有增大梁端負(fù)彎矩受彎承載力的作用。參與受力的板內(nèi)鋼筋的范圍與梁端的屈服程度有關(guān):梁端未屈服時，板內(nèi)鋼筋基本不參與受力;隨梁端屈服的嚴(yán)重程度增大，板內(nèi)參與受力鋼筋的范圍增大，但板內(nèi)鋼筋參與的程度隨著鋼筋離開梁肋距離的增大而減少。為真正實現(xiàn)強柱弱梁，計算梁端的受彎承載力時，應(yīng)適當(dāng)考慮現(xiàn)澆樓板中的鋼筋對框架梁端部實際正截面抗震受彎承載力的影響，考慮框架有效翼緣寬度范圍(考慮樓板受拉，可近似取梁兩側(cè)各為3倍樓板厚度范圍)內(nèi)，與框架梁跨度同向的板頂鋼筋的作用。但此時應(yīng)注意，板有效寬度內(nèi)與梁平行的鋼筋應(yīng)根據(jù)框架梁負(fù)彎矩縱筋的要求延伸足夠長度后才能截斷。

3.2 保證抗力和效應(yīng)計算截面的統(tǒng)一

在承載能力極限狀態(tài)計算時，抗震設(shè)計的結(jié)構(gòu)應(yīng)采用考慮結(jié)構(gòu)塑性內(nèi)力重分布的分析方法，同時采用柱邊緣截面處的梁內(nèi)力設(shè)計值，使構(gòu)件承載力和荷載效應(yīng)計算截面統(tǒng)一。另外，在構(gòu)件的裂縫寬度驗算中，也宜采用考慮塑性內(nèi)力重分布的分析方法，同時也采用柱邊緣截面處的梁端內(nèi)力值，確?？沽托?yīng)計算截面統(tǒng)一，從而避免裂縫寬度驗算不致影響“強柱弱梁”的實現(xiàn)。

3.3 梁底筋的合理配置

在柱配筋不變的情況下，可通過“協(xié)調(diào)配筋方式”來弱化梁的實際受彎承載力，從而使柱 的受彎承載力間接加強。即，在柱兩端框架梁截面高度相等的條件下，可通過調(diào)整梁下部鋼筋的直徑，使盡量多的梁下部鋼筋在柱支座內(nèi)拉通設(shè)置，在支座外搭接。通過協(xié)調(diào)配筋方式，避免了梁柱節(jié)點核心區(qū)內(nèi)鋼筋過于密集，使縱筋與混凝土更好地錨固，以便于施工，有利于“強柱弱梁”的實現(xiàn)。

另外，根據(jù)彎矩配筋包絡(luò)圖，梁跨中下部截面的配筋，在滿足規(guī)范有關(guān)梁端上下鋼筋比值的條件下，可不全部伸入支座，也可減少“強梁弱柱”的發(fā)生。

3.4 合理控制梁筋的超配

應(yīng)嚴(yán)格控制梁端實配鋼筋，對梁端負(fù)彎矩鋼筋不應(yīng)超配(控制實配鋼筋不超過計算鋼筋面積，一般情況下，可取實配鋼筋面積為0.95～1.0倍的計算鋼筋面積);對梁端正彎矩鋼筋應(yīng)控制超配比例(一般情況下，可控制超配系數(shù)在10%以內(nèi))。

3.5 限制梁、柱的線剛度比

限制框架柱與框架梁的線剛度比在一個較為合理的范圍內(nèi)，可取1.5～2.0。有些地方標(biāo)準(zhǔn)已有相關(guān)的規(guī)定。

3.6 提高柱的配筋率、配箍率，降低柱的軸壓比限制

4 結(jié)論

影響實現(xiàn)“強柱弱梁”破壞機制的因素很多，也很復(fù)雜，有理論研究的滯后、設(shè)計計算的缺陷和抗震構(gòu)造的不足等。設(shè)計人員應(yīng)從工程結(jié)構(gòu)的實際受力狀況出發(fā)，對各種可能影響“強柱弱梁”破壞機制的因素予以全面考慮，采用合理的結(jié)構(gòu)分析方法和模型。在目前有些影響因素還不能精確考慮的情況下，加強概念設(shè)計，結(jié)合建筑圖對重點部位進(jìn)行適度的加強，以充分保證“強柱弱梁”破壞機制的實現(xiàn)。

［1］GB 50011—2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2008)［S］

［2］JGJ 3－2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程［S］

［3］唐九如.鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震［M］.南京:東南大學(xué)出版社，1989

［4］蔣永生，陳忠范，周緒平，等.整澆梁板的框架節(jié)點抗震研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1994，12(3)

［5］GB 50010－2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］

［6］中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究所.03G101混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖(現(xiàn)澆混凝土框架、剪力墻、框架—剪力墻、框支剪力墻結(jié)構(gòu))［M］.北京:中國計劃出版社，2006