對(duì)抗震規(guī)范中“強(qiáng)柱弱梁”的理解分析與運(yùn)用

陳娟 符媛媛 楊蕓

(武漢科技大學(xué)城市學(xué)院，湖北武漢 430083)

為實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”，現(xiàn)行GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范)有如下處理方式。

1 增大節(jié)點(diǎn)處柱端彎矩設(shè)計(jì)值

1.1 規(guī)范條文的分析

規(guī)范規(guī)定見(jiàn)6.2.2 條［1］。

本文不涉及變形能力較大、可不滿足上述規(guī)定的柱子，如軸壓比小于0.15(含頂層柱)時(shí)。

地震作用效應(yīng)的一個(gè)特點(diǎn):強(qiáng)震時(shí)柱、梁端實(shí)際可能達(dá)到的最大彎矩即為各自的受彎承載力。故“強(qiáng)柱弱梁”時(shí)節(jié)點(diǎn)處梁端、柱端實(shí)際受彎承載力之間滿足式(1):

規(guī)范將此不等式轉(zhuǎn)為地震組合內(nèi)力設(shè)計(jì)值的關(guān)系式，但前提是梁端實(shí)配鋼筋不超過(guò)計(jì)算配筋10%。采用在一定程度上推遲柱端塑性鉸的出現(xiàn)，即增大柱端彎矩設(shè)計(jì)值的概念設(shè)計(jì)。規(guī)范提高了考慮了一定的超配鋼筋(包括樓板的配筋)和鋼筋超強(qiáng)的彎矩增大系數(shù)ηc，利于上述概念設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。

規(guī)范對(duì)一級(jí)框架及其9度時(shí)，用增大系數(shù)法，并提出了(應(yīng)考慮左、右梁端縱向受拉鋼筋可能超配等因素所形成的屈服抗彎能力偏大的不利情況)采用調(diào)整、驗(yàn)算梁端實(shí)配鋼筋面積和材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的抗震受彎承載力所對(duì)應(yīng)的彎矩值，取兩者的較大值;即使按增大系數(shù)的方法比實(shí)配方法保守，明確可只按后者確定柱端彎矩設(shè)計(jì)值。

框架梁相對(duì)較弱的柱反彎點(diǎn)不在樓層內(nèi)的情況，為防壓屈失穩(wěn)，柱端彎矩也應(yīng)乘ηc。

在總結(jié)汶川震害經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)柱抗彎能力增強(qiáng)措施作相應(yīng)加強(qiáng)。除前述，本次修訂還有如下改變:

1)二、三級(jí)框架結(jié)構(gòu)僅提高了柱端彎矩增大系數(shù)，未要求采用實(shí)配反算，柱端彎矩設(shè)計(jì)值實(shí)際也可由式(6.2.2-2)確定，但系數(shù)可適當(dāng)降低;如此可能比按式(6.2.2-1)調(diào)整的方法更合理。比如當(dāng)框架梁是按最小配筋率的構(gòu)造要求配筋時(shí)，為避免出現(xiàn)因梁的實(shí)際受彎承載力與彎矩設(shè)計(jì)值相差太多(即實(shí)際配筋數(shù)量比計(jì)算需要超出較多)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的情況，宜采用實(shí)配反算的方法確定。

2)增加了計(jì)算梁端實(shí)配抗震受彎承載力時(shí)，當(dāng)樓板與梁整體現(xiàn)澆時(shí)，還應(yīng)計(jì)入梁兩側(cè)有效翼緣寬度范圍內(nèi)平行框架梁方向的板內(nèi)實(shí)配縱筋，因?yàn)椋褰顚?duì)梁受彎承載力有相當(dāng)影響。梁端真正出現(xiàn)塑性鉸時(shí)的實(shí)際抗震受彎承載力可按式(2)計(jì)算:

其中，fyk為縱向鋼筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;為梁縱向鋼筋實(shí)際配筋面積［2］。有效翼緣寬度可取梁兩側(cè)各6倍板厚。這是美國(guó)(ACI318-08［3］規(guī)范)根據(jù)進(jìn)入接近罕遇地震水準(zhǔn)側(cè)向變形狀態(tài)的縮尺框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中對(duì)參與抵抗梁端負(fù)彎矩的板筋應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果確定的。歐洲規(guī)范EN1998［4］則建議取每側(cè)2倍板厚，這大致相當(dāng)于梁端屈服后不久的受力狀態(tài)。故規(guī)范的取法是偏于安全的［5］。

1.2 規(guī)范條文的運(yùn)用

柱端組合的彎矩設(shè)計(jì)值調(diào)整后，如何分配給節(jié)點(diǎn)處上柱的柱底和下柱柱頂。

1)理論方法:

其余符號(hào)說(shuō)明見(jiàn)相應(yīng)的規(guī)范條文。

2)實(shí)踐中的簡(jiǎn)便方法。

對(duì)于非一級(jí)的框架結(jié)構(gòu)及其9度的情況，可采用如下簡(jiǎn)便方法:

因?yàn)橐话闱闆r節(jié)點(diǎn)彎矩平衡，即:

由規(guī)范(6.2.2-1)，則:

2 增大底層的柱底彎矩

嵌固端截面(不按6.2.2條的規(guī)定，而是直接)乘以6.2.3條［1］的彎矩增大系數(shù)(修訂中系數(shù)予以了提高)，加強(qiáng)了底層柱底的實(shí)際受彎承載力，避免框架結(jié)構(gòu)柱底過(guò)早屈服。對(duì)其他結(jié)構(gòu)中的框架，其主要抗側(cè)力構(gòu)件為抗震墻，對(duì)其框架部分的嵌固端截面，可不作要求。

當(dāng)僅用插筋滿足柱嵌固端截面彎矩增大的要求時(shí)，可能造成塑性鉸向底層柱的上部轉(zhuǎn)移，對(duì)抗震不利。規(guī)范提出底層柱縱向鋼筋應(yīng)按柱上下端不利情況配置。

3 增大角柱的彎矩和剪力設(shè)計(jì)值

以往震害中角柱震害相對(duì)較重，其內(nèi)力設(shè)計(jì)值經(jīng)過(guò)6.2.2或6.2.3 條提高的基礎(chǔ)上再按6.2.6 條［1］進(jìn)行提高，以提高抗震能力。

本次修訂，上述1，2，3中均補(bǔ)充了對(duì)四級(jí)框架的要求。

4 其他措施

1)框架抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是保證柱的抗地震倒塌能力。第一、二階段設(shè)計(jì)都要通過(guò)抗震構(gòu)造措施達(dá)到“大震不倒”的設(shè)防要求，對(duì)于可只做第一階段設(shè)計(jì)的大多數(shù)結(jié)構(gòu)還需借助概念設(shè)計(jì)。規(guī)范有如下相應(yīng)抗震構(gòu)造措施:

a.對(duì)于梁截面尺寸，6.3.1條是從提高梁變形能力的要求等來(lái)處理的;

b.梁端塑性轉(zhuǎn)動(dòng)量決定梁變形能力，截面混凝土相對(duì)受壓區(qū)高度是此轉(zhuǎn)動(dòng)量的影響因素，故6.3.3條對(duì)梁端相對(duì)受壓區(qū)高度及其底、頂面縱筋的比值作了規(guī)定;

c.根據(jù)震害經(jīng)驗(yàn)，6.3.5條增大了一、二、三級(jí)且層數(shù)超過(guò)2層的房屋柱截面最小尺寸的要求，以利“強(qiáng)柱弱梁”的實(shí)現(xiàn);

d.框架柱的彈塑性變形能力，主要與柱的軸壓比及箍筋對(duì)混凝土的約束程度有關(guān)。為此，6.3.6條限制了軸壓比，減小了其限值;6.3.9條對(duì)柱箍筋的配置作了詳盡的要求。

2)應(yīng)當(dāng)特別提出的是，注意概念設(shè)計(jì)的重要性。概念設(shè)計(jì)對(duì)從根本上消除抗震薄弱環(huán)節(jié)、構(gòu)造良好抗震性能具有決定作用。為保證實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)，必須設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案，如:

a.上下層剛度突變的結(jié)構(gòu)，不可能避免軟弱層;

b.有時(shí)雖然滿足規(guī)范(6.2.2-1，2)式，但因上下柱的線剛度相差很大而使某柱端彎矩較大導(dǎo)致可能先出鉸，故要注意豎向抗側(cè)力構(gòu)件的側(cè)向剛度沿豎向宜均勻變化、宜自下而上逐漸減小其截面尺寸和材料強(qiáng)度;

c.當(dāng)梁斷面過(guò)大、配筋較多時(shí)(如框梁跨度較大或窗裙梁)，應(yīng)把柱子斷面加大。

3)強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)理念應(yīng)貫徹在整個(gè)抗震設(shè)計(jì)始終，如:

a.柱中可增加些縱筋來(lái)加大柱安全度，但是增大梁中縱筋可能不利;

b.在板的結(jié)構(gòu)布置中，可以考慮使板在主框梁上的支承是(單向板的)非受力邊、符合條件的板盡量按塑性理論設(shè)計(jì)，節(jié)省鋼筋是一方面，關(guān)鍵是可以在保障安全的前提下，最大限度地弱化板與梁之間的整體連接與作用;

c.在梁的剛度滿足要求的情況下，梁截面形狀采用扁、寬形易于強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)。

4)其實(shí)也可考慮改變?cè)O(shè)計(jì)觀念。因?yàn)閺你氪ㄕ鸷?lái)看，只有不帶現(xiàn)澆板的純框架真正實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)柱弱梁”;只要有現(xiàn)澆板，框架一般表現(xiàn)的都是柱端先于梁端屈服。究其原因，現(xiàn)澆板的“貢獻(xiàn)功不可沒(méi)”。在內(nèi)力計(jì)算時(shí)，由于現(xiàn)澆板的存在，梁的截面慣性矩做了相應(yīng)的放大。梁剛度大了，分配到的內(nèi)力也就大了，計(jì)算的配筋自然增多。建議處理成梁的截面慣性矩不予放大參加內(nèi)力計(jì)算，“以絕后患”。因?yàn)橛捎谕鶑?fù)地震，梁、板間很快開(kāi)裂，這種截面慣性矩放大的源頭也就不存在了，梁端截面配筋設(shè)計(jì)時(shí)按矩形截面設(shè)計(jì)正是考慮到了這一點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

合理的鋼筋混凝土框架破壞機(jī)制應(yīng)是強(qiáng)柱弱梁型，不光可以依據(jù)規(guī)范通過(guò)增大柱端彎矩、增大底層的柱底彎矩、增大角柱的彎矩和剪力設(shè)計(jì)值和抗震構(gòu)造措施等予以實(shí)現(xiàn)(對(duì)規(guī)范條文的操作方法也要注意采取簡(jiǎn)便的方式處理)，還可以考慮結(jié)構(gòu)方案、改變內(nèi)力設(shè)計(jì)理念等其他的措施以保證實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的延性框架設(shè)計(jì)。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］Building Code Requirements For Structural Concrete(ACI 318-08)And Commentary(ACI 318R-08)［S］.ACI Committee 318，2008.

［4］王麗卿，何鳳璟.梁與柱的相互作用和分析［J］.山西建筑，2012，38(13):59-60.

［5］CEN.BS EN 1998-1:2004，Eurocode 8:Design of structures for earthquake resistance2 Part 1:General rules，seismic actions and rules for buildings［S］.London:British Standards Institution，2005.

［6］GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.