强柱弱梁设计分析

关键词：强柱弱梁 钢筋混凝土框架结构 现浇框架结构 楼板开角缝

　　“强梁弱柱”式建筑破坏在2008年汶川地震建筑倒塌事件中表现得尤为突出，因此设计并建造具有较强抗震能力的钢筋混凝土框架结构，结合结构中的每个节点达到设计目标，分析有限元软件ADINA在浇钢筋混凝土框架结构梁柱节点中的拟静力与地震动力反应，考虑现浇楼板对梁抗弯承载力的影响，从“强柱弱梁”的特点出发提高框架柱的抗弯能力及延展性成为现代建筑设计中不可忽视的细节。

　　强柱弱梁是建筑结构设计中的必须考虑的理念，在设计时强化柱端弯矩在同比节点中的弯矩程度，便能够减小在地震中的破坏力度，尽力耗散地震能，降低发生结构倒塌的可能性。2008年之后，我国现有的建筑运用了不同的柱端弯矩方式以增大系数预防地震的破坏。通过材料强度、几何尺寸、梁端纵筋超强性能、单个节点“强柱弱梁”设计的可靠程度等因素的制约关系，从不同柱端弯矩来增大系数的方式考虑，分析了强柱系数对结构整体失效概率的影响，

　　下文，笔者将具体从钢筋混凝土框架结构、现浇框架结构、楼板开角缝RC框架出发，以此为例，分析强柱弱梁设计。

　　一、钢筋混凝土框架结构强柱弱梁设计分析

　　通过钢筋混凝土框架结构在地震中的破坏机理研究所示，分析结构损伤机理和破坏模式的重要方法是研究结构的弹塑性时程，它是成功检验结构抗震和抗倒塌设计的综合方法。

　　在地震作用下，钢筋混凝土框架结构的破坏是因构件刚度退化、承载能力下降或丧失，结构局部或整体倒塌的现象，它是一个集结了损伤、发生、积累、演化的过程。

　　在设计数值计算时，建立了物理力学模型，科研人员据此提出了有限元分析理论，扩大了这种分析方法的适用范围，强化了弹性和弹塑性在钢筋混凝土框架结构中的生命力。

　　有限元分析理论在钢筋混凝土框架结构的分析中采用了有限单元模型的有杆单元、三维实体单元、三维空间结构模型单元的常用方法，在进行结构非线性分析计算时，隐式迭代数值积分方法和显式中心差分积分两种有限单元分析方法也解决的很多实际问题，明确了基于变形、基于刚度和基于最大位移与能量双重标准的三大确认破坏程度的判定准则，获得了结构刚度矩阵和变化规律的理论数据。

　　再从钢筋混凝土框架结构的安全角度考虑，加强柱端弯矩的增大系数有利于实现强柱弱梁的设计原则，降低结构发生倒塌或是破坏的概率，从经济效益方面来看，也相应地增加了结构造价的投资，和未来可能带来的经济损失相比，提高经济效益是显而易见的。

　　二、现浇框架结构柱端CFRP加固强柱弱梁设计效果分析

　　有限元软件不仅对钢筋混凝土框架结构有明显的作用，它也影响着现浇楼板对梁抗弯承载力，如果采用外包碳纤维布在框架结构普通梁板柱节点和柱端用碳纤维加固节点进行加固维稳，就能够提高高框架柱的抗弯能力，实现“强柱弱梁”的设计目标。

　　在一般的建筑中，梁、板、柱通常使用C30混凝土进行浇筑，这时建立分离式结构模型时采用有限元软件ANSYS就是非常不错的选择，采用多线型弹塑性材料模型、双线性弹甥性材料模型和线弹性材料模型三种模型材料在划分网格后的混凝土、钢筋、碳纤维三个领域的共用节点上可以完整的结合起来，他们的参数特点如下图所示：

　　根据钢筋混凝土框架结构梁柱节点破坏的实际情况以及对楼板中钢筋的影响程度所示，在结构不同的水平侧移值标准下，普通节点的梁端处与纵梁平行的部分板面和板底钢筋应力的变化将各不相同。

　　根据碳纤维束加固方法，想要达到在梁柱节点处柱端对“强柱弱梁”机制的影响效果，我们可以对比普通节点与柱端碳纤维增强复合材料（CFRP）加固节点处钢筋被破坏的机制特点，以梁纵筋应力与柱纵向主筋应力数值为基础，设计在柱端CFRP加固节点的“强柱弱梁”效果设计方案，达到有效加固的效果，实现应力的重分布，有效提高抗弯承载力。

　　三、楼板开角缝实现RC框架“强柱弱梁"效果分析

　　地震的强震感往往使框架结构在首层的节点处被破坏的尤其严重，三层以上的结构反而不易破坏，针对首层楼板开角缝对梁和柱的影响作用，就不开角缝的普通节点，以200 mm的角缝边长为开缝节点、和开角缝对首层柱脚抗震性能的影响，分析普通节点框架模型和楼板开角缝模型的数值模拟特点，可以看出开缝前后梁柱端截面的破坏程度，获知“强柱弱梁"的效果。

　　（1）普通节点一不开角缝

　　根据不开角缝的普通节点所示内容，结合实际的情况研究分析可以知道，地震作用对普通框架结构、框架梁和柱端塑性的破坏基本相同，按规范设计的框架结构并没有达到“强柱弱梁”的效果要求。

　　（2）开缝节点一角缝边长200 mm

　　在实际研究中矩形截面梁承担了楼板的部分弯矩力度，推迟了柱端出现塑性铰的可能性，由此可以看出楼板开角缝能使楼板钢筋对梁抗弯承载力的强化作用部分消除，改变框架结构节点处梁柱的破坏机制，更好的实现“强柱弱梁"效果。

　　（3）开角缝对首层柱脚抗震性能的影响

　　对于框架结构中的底层构造和模型柱底的固定端连接示意图所示，柱底发生塑性变形，柱脚处被破坏的可能性十分大，也无法避免，只能尽可能延迟被破坏的时间增强结构的延性性能。实验过程中，当梁端处开裂范围不断增大时，裂缝反而越来越密集，只有拉、压边缘会出现少量裂痕，由此可见，楼板的开角缝具有明显的效果，RC框架结构在“强柱弱梁"的效果上获得了有效的研究成果。

　　参考文献：

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