框架结构抗震设计中强柱弱梁的实现探讨

关键词：框架结构；强柱弱梁；概念设计 

　　1 引言 

　　概念设计对于结构设计来说十分重要，甚至可以说概念设计是结构设计的根本。概念设计有几个重要原则：“强柱弱梁”，“强节点弱构件”，“强剪弱弯”。本文重点讨论框架结构的强柱弱梁问题。 

　　框架结构设计上要求强柱弱梁，以保证结构的延性，用以提高结构的变形能力，防止在强烈地震作用下倒塌。强柱弱梁不仅是手段，也是目的，其手段表现在人们对柱的设计弯矩人为放大，对梁不放大。其目的表现在调整后，柱的抗弯能力比之前强了，而梁不变。即柱的能力提高程度比梁大。这样梁柱一起受力时，梁端可以先于柱屈服。 

　　2 规范的相关规定 

　　《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）第6.2.2条规定：一、二、三级框架的梁柱节点处，除框架顶层和柱轴压比小于0.15者及框支梁与框支柱的节点外，柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求： 

　　∑Mc =ηc∑Mb （1） 

　　一级框架结构及9度时尚应符合 

　　∑Mc =1 .2∑Mbua （2） 

　　式中各符号意义见规范。 

　　当反弯点不在柱的层高范围内时，柱端截面组合的弯矩设计值可乘以上述柱端弯矩增大系数。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）第6.2.5，第7.2.22条以及《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）第11.3.2条均有相似的规定。 

　　3 问题 

　　但汶川地震的结果并不如预想的一样，如下列图： 

　　4 讨论如何从设计上保证强柱弱梁 

　　（1） 框架梁端弯矩调幅 

　　由于钢筋混凝土结构具有塑性内力重分布性质，在竖向荷载下可以考虑适当降低梁端弯矩，进行调幅。 

　　优点：①减少负弯矩钢筋的拥挤现象。 

　　②有利于实现强柱弱梁 

　　③减少梁端，增大跨中，梁构件偏于安全。 

　　（2）中梁刚度放大系数 

　　《高规》第5.2.2条规定：在结构内力和位移计算中，现浇楼板和装配整体式楼面中梁的刚度可考虑翼缘的作用予以放大。其建议中梁该系数取2，边梁取1.5。 

　　规范对于梁刚度的放大主要是为了考虑楼板刚度对梁的贡献。因为我们手算、电算的时候是无法考虑楼板对梁的刚度贡献，因此规范规定可通过采用梁刚度放大的方法来近似考虑。 

　　但在实际操作过程中，若对中梁刚度进行放大，一般情况下梁的内力会增加，相应配筋也会变大，因为T形截面的钢筋全配在了矩形截面里。结构有由强柱弱梁往强梁弱柱转化的趋势。 

　　所以建议算梁内力时，中梁刚度放大系数取1.0，算位移时，可以考虑中梁刚度放大。 

　　（3）柱梁的线刚度比 

　　虽然规范没有规定框架结构柱梁线刚度比。但是框架柱作为竖向构件，有必要截面适当的强，对于传递竖向力的水平构件的框架梁也有必要适当的弱。在抗震设防区，框架柱与框架梁的线刚度比宜控制在1.5～2.5范围较为合理。但有些情况不宜实现，往往框架柱与框架梁的线刚度比值还会很小，比如框架柱与井字梁的边梁的线刚度比值。此时建议结合柱轴压比进行控制，轴压比应比规范规定限值要小多些。 

　　（4）控制柱子配筋率 

　　《混凝土结构设计规范》规定柱中全部纵向钢筋的配筋率不宜大于5%。 

　　但本人认为最好控制在1%～2.5%，一方面经济性较好，另一方面说明柱截面尺寸相对合适。当柱配筋较大时说明柱截面尺寸相对较小，带来的必然是柱的线刚度较小。 

　　5 中梁刚度放大系数的影响 

　　《高规》第 5.2.2 条规定：在结构内力与位移计算中，现浇楼面和装配整体式楼面中梁的刚度可考虑翼缘的作用予以放大。楼面梁刚度增大系数可根据翼缘情况取1.3—2.0。按照《高规》条文说明中的建议，当近似以梁刚度增大系数考虑时，应根据梁翼缘尺寸与梁截面尺寸的比例予以确定，通常边框架梁取1.5，中框架梁取2.0。 

　　在水平地震力作用下，梁刚度对于结构内力、位移、周期等均有影响。一般情况下，梁的刚度增大，其内力也会相应增大，配筋增加，导致梁承载力得到提高。而对于大多数柱子而言，即使柱端弯矩增加，其配筋面积仍然为构造配筋，承载力并没有相应得到增加，这样就使结构存在由强柱弱梁向强梁弱柱转变的趋势。并且，即使框架柱是计算配筋，在水平地震力作用下，由于梁刚度增大很多，使内力更多地分配给了框架梁，从而造成框架柱内力减小，配筋减小，承载力降低，更有可能使结构转变成强梁弱柱，对抗震更加不利。 

　　所以，笔者认为在计算框架梁柱配筋时，要合理考虑设置梁刚度放大系数，并且相应增加框架柱的计算和构造措施。比如，在实配柱纵筋和箍筋时，应考虑由于梁翼缘板的作用和梁裂缝宽度验算所导致增加梁纵筋的影响；增大框架柱的最小截面尺寸及最小配筋率等。 

　　6 结论 

　　强柱弱梁概念设计对框架结构的延性及安全性起着重要作用，因为一旦柱端先与梁端出现塑性铰，轻者引起局部坍塌，重者引起整幢楼倒塌。因此结构设计时应充分重视强柱弱梁的实现。本文从结构设计过程中指出应该注意的问题和指标。对结构设计有一定的指导意义。 

　　参考文献： 

　　[1] GB50010-2002，混凝土结构设计规范[S]. 

　　[2] JGJ3-2002/J186-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 

　　[3] GB50011-2001，建筑抗震设计规范[S]. 

　　[4] 包世华.新编高层建筑结构[M]（第二版）. 

　　[5] SATWE 用户手册和技术条件[M].2005.