鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中強(qiáng)柱弱梁的分析研究

王方亮，鄧長(zhǎng)軍

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 概述

隨著我國(guó)水電事業(yè)的發(fā)展和城市工業(yè)化進(jìn)程的加快，大量的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用于水電站、城市基礎(chǔ)和工業(yè)設(shè)施建設(shè)。通過(guò)對(duì)2008年5.12汶川特大地震災(zāi)后情況分析看，雖然鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、使用靈活等特點(diǎn)，但其整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較小，建筑物發(fā)生填充墻開(kāi)裂破壞，框架梁柱節(jié)點(diǎn)破壞，柱端形成塑性鉸等震害特征。筆者以下著重介紹了關(guān)于強(qiáng)柱弱梁的機(jī)制、影響強(qiáng)柱弱梁的因素并提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議。

2 強(qiáng)柱弱梁機(jī)制

強(qiáng)柱弱梁是指節(jié)點(diǎn)處柱端實(shí)際抗彎承載力大于梁端實(shí)際抗彎承載力，以保證在遭遇大震時(shí)框架結(jié)構(gòu)的塑性鉸發(fā)生在框架梁梁端而不發(fā)生在框架柱柱端，以提高結(jié)構(gòu)的變形能力，防止在強(qiáng)烈地震作用下倒塌。

強(qiáng)柱弱梁是從結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)角度提出的結(jié)構(gòu)概念。即柱子不先于梁破壞;梁破壞屬于構(gòu)件破壞，是局部性的;而柱子破壞將危及整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全，導(dǎo)致整體倒塌，后果嚴(yán)重。

根據(jù)我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)構(gòu)抗震承載力是依據(jù)多遇地震作用下考慮作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)和材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)后并通過(guò)罕遇地震作用下薄弱層彈塑性變形計(jì)算確定的。而在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)承載力相對(duì)不足，需通過(guò)結(jié)構(gòu)的塑性變形耗能來(lái)彌補(bǔ)。試驗(yàn)研究表明:梁先屈服，可使整個(gè)框架有較大的內(nèi)力重分布和能量消耗能力，極限層間位移增大，抗震性能較好。

3 影響強(qiáng)柱弱梁的主要因素

(1)實(shí)際工程中，很多圍護(hù)結(jié)構(gòu)是填充墻，由于填充墻的存在，使得結(jié)構(gòu)在早期彈性階段會(huì)有很大的剛度，吸收了很大的地震力。都江堰某辦公樓填充墻采用空心磚砌筑，外部填充墻局部坍落，內(nèi)部填充墻成X 型破壞，頂部斷裂，破壞嚴(yán)重。但該填充墻起到了第一道抗震防線(xiàn)作用，保證了主體結(jié)構(gòu)免受破壞。但填充墻具有一定的剛度和承載力，填充墻的布置很可能使框架柱實(shí)際剪跨比減小而成為短柱，易形成脆性剪切破壞。

(2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般不考慮樓板參與整體計(jì)算，而是直接將荷載倒算在梁上，在計(jì)算水平荷載(地震與風(fēng)荷載)的時(shí)候考慮樓板對(duì)梁剛度的提高作用，用一個(gè)中梁(邊梁)剛度放大系數(shù)來(lái)考慮樓板的作用，但計(jì)算梁配筋的時(shí)候又僅考慮矩形截面，這就形成了本來(lái)是T 形梁承受荷載，而鋼筋計(jì)算卻完全集中在矩形截面中的情況?，F(xiàn)澆樓板對(duì)梁的剛度影響可通過(guò)梁剛度放大系數(shù)予以近似考慮，但就現(xiàn)澆樓板配筋對(duì)梁端實(shí)際受彎承載力的影響，但研究和設(shè)計(jì)措施相對(duì)滯后。

(3)梁端負(fù)彎矩是影響強(qiáng)柱弱梁的重要因素，梁端負(fù)彎矩越大，對(duì)框架柱的要求越高，因此，適當(dāng)降低梁端負(fù)彎矩?cái)?shù)值，對(duì)強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)具有積極意義。在強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算中，梁端正彎矩與其相鄰跨的梁端負(fù)彎矩組成強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算中的梁端力偶，合理取用梁端正彎矩?cái)?shù)值，同樣對(duì)強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)具有積極意義。

(4)裂縫計(jì)算加大了梁端的抗彎能力。不合理的裂縫計(jì)算加大了梁端配筋面積，導(dǎo)致梁端計(jì)算彎矩過(guò)大，梁端裂縫寬度計(jì)算值大于實(shí)際值。同時(shí)加大了梁端配筋、抗震調(diào)幅與梁端裂縫撓度計(jì)算的矛盾，對(duì)強(qiáng)柱弱梁機(jī)制的實(shí)現(xiàn)增加了新的負(fù)擔(dān)。

(5)梁端實(shí)配鋼筋直接影響梁端受彎承載力，因此，合理控制梁端實(shí)配鋼筋與計(jì)算鋼筋的比例關(guān)系，對(duì)強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)意義重大。

(6)梁柱剛度比過(guò)大，易導(dǎo)致強(qiáng)柱弱梁機(jī)制難以實(shí)現(xiàn)。

4 強(qiáng)柱弱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建議

(1)應(yīng)將填充墻分為永久性和非永久性?xún)深?lèi)。永久性填充墻應(yīng)加入整體結(jié)構(gòu)抗震分析計(jì)算中，而非永久性填充墻應(yīng)采用輕質(zhì)填充墻，以免影響主體結(jié)構(gòu)的受力和變形。

(2)在結(jié)構(gòu)分析計(jì)算中，框架梁端部負(fù)彎矩是將框架柱柱截面中心線(xiàn)之間的跨度作為計(jì)算跨度的。由于結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算沒(méi)有考慮柱截面尺寸對(duì)構(gòu)件的影響，加大了梁端截面的配筋量，進(jìn)而加大了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的難度。

(3)在驗(yàn)算梁端截面的裂縫寬度時(shí)，內(nèi)力取值和實(shí)際截面位置不統(tǒng)一，這種內(nèi)力與計(jì)算截面的不一致導(dǎo)致梁端計(jì)算彎矩過(guò)大，梁端裂縫寬度的計(jì)算值大于實(shí)際值。同時(shí)，加大了梁端配筋，對(duì)強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)極為不利。

(4)目前，梁的設(shè)計(jì)造成了梁端頂面的實(shí)際配筋大大超出了強(qiáng)柱弱梁計(jì)算中對(duì)應(yīng)于梁底彎矩設(shè)計(jì)值的配筋量。當(dāng)采用多排鋼筋時(shí)，問(wèn)題更為突出。

(5)現(xiàn)澆樓板的配筋對(duì)框架梁實(shí)際截面承載力有較大影響。在梁端截面有效受拉翼緣寬度范圍內(nèi)，與框架梁跨度同向的樓板鋼筋對(duì)框架梁端部的實(shí)際抗彎承載力的影響較大，從而加劇了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的難度。

5 結(jié)語(yǔ)

影響強(qiáng)柱弱梁機(jī)制實(shí)現(xiàn)的因素很多，如目前計(jì)算軟件的缺陷、理論研究的滯后和抗震措施的不足等。完善設(shè)計(jì)計(jì)算理論、加快理論研究的步伐和彌補(bǔ)抗震措施的不足，對(duì)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁機(jī)制具有重大意義。以上內(nèi)容為筆者在實(shí)際工作中積累的一些工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可供設(shè)計(jì)人員參考和借鑒。

［1］建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，GB50011-2010［S］.

［2］陳陽(yáng)，呂峰.淺議混凝土框架設(shè)計(jì)中強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)［J］.林業(yè)科技情報(bào)，2010，42(1):23，26.

［3］朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)答與分析［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.