強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件的概念

如何理解“強柱弱梁”？指梁柱節(jié)點處，柱端實際受彎承載力大于梁端實際受彎承載力。因為框架結(jié)構(gòu)的變形能力與其破壞機制有很大的關(guān)系。研究表明：梁先屈服，即梁端先出現(xiàn)塑性鉸，可使整個框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的內(nèi)力重分布，從而增強結(jié)構(gòu)的耗能能力和極限層間位移，抗震性能較好。若柱先屈服，則可能使整個結(jié)構(gòu)變成幾何可變體系，造成結(jié)構(gòu)倒塌。一般采用增大柱端彎矩設(shè)計值的方法(框架抗震等級為一、二、三級時，柱端彎矩？①結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時考慮了樓板的約束作用(梁截面為T形，PKPM中以邊梁和中梁的剛度放大系數(shù)來考慮)，但梁的承載力設(shè)計時仍以矩形截面來配筋，并沒有考慮樓板的面進(jìn)行配筋；或者將按T形截面進(jìn)行內(nèi)力分析后所得的承載力除以梁剛度放大系數(shù)，然后按矩形截面進(jìn)行配筋。②梁端配筋采用的是柱中線處的內(nèi)力，而實際上應(yīng)該采用柱邊的內(nèi)力，而柱中線，實際上增加了梁端的配筋。③由于設(shè)計習(xí)慣和鋼筋需要歸并等原因造成梁配筋的增大。如何理解“強剪弱彎”？指梁、柱和剪力墻底部的斜截面實際受剪承載力大于實際受彎承載力。沒有任何預(yù)兆突然破壞。所以要保證構(gòu)件在發(fā)生彎曲破壞前不產(chǎn)生剪切破壞。級具體配筋時，可采取以下措施來盡量保證“強剪弱彎”：如何理解“強節(jié)點弱構(gòu)件”？指節(jié)點區(qū)域的實際承載力大于構(gòu)件的實際承載力。因為節(jié)點失效，與之相連的梁柱等構(gòu)件全部失效，結(jié)構(gòu)也坍塌失效。產(chǎn)生的水平剪力主要靠箍筋來承擔(dān)，這也是需要提高延性時采用箍筋加密的根本原因。而梁的縱筋主要用來承擔(dān)豎向荷載產(chǎn)生的彎矩。梁的底面和頂面縱筋的比值是用來提高梁端的塑性轉(zhuǎn)動能力，不是梁延性的主要控制因素。“強梁弱柱”破壞分析抗震設(shè)計中,“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節(jié)點弱桿件”一直是各國抗震規(guī)范所強調(diào)的,但汶川地震的實際情況不容樂觀。實現(xiàn)“強柱弱梁”,現(xiàn)行規(guī)范存在不足。葉列平等[2]就“強柱弱梁”未能實現(xiàn)的原因提出諸多觀點,認(rèn)為出現(xiàn)這一破壞現(xiàn)象的原因有:?填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響;樓板對框架梁的承載力和剛度增大的影響;框架梁跨度和荷載過大,使梁截面尺寸增大,梁端抗彎承載力增大;!梁端超配筋和鋼筋實際強度超強;?柱軸壓比限值規(guī)定偏高,柱截面尺寸偏小;#柱最小配筋率和最小配箍率偏小;3大震下結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)彈性受力狀態(tài)存在差異;%梁柱可靠度的差異?，F(xiàn)階段而言,應(yīng)主要考慮以下幾個方面的因素。1.1填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件影響填充墻作為框架結(jié)構(gòu)的重要組成部分,主要起圍護(hù)作用,而不作為受力構(gòu)件存在。但其存在不可避免地影響結(jié)構(gòu)受力性能:結(jié)構(gòu)錯層處、樓梯、窗下等部位,填充墻使框架長柱變成短柱,發(fā)生剪切破壞;同一樓層間填充墻位置、數(shù)量的變化,在水平方向改變結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度分布,從而改變地震內(nèi)力的分布;不同樓層間填充墻位置、數(shù)量的變化,在豎直方向改變層間剛度分布,形成“薄弱層”,最終導(dǎo)致“層屈服機制”的出現(xiàn)。現(xiàn)行抗震規(guī)范[3]第3.7.4條規(guī)定:圍護(hù)墻和隔墻應(yīng)考慮對結(jié)構(gòu)抗震的不利影響,避免不合理設(shè)置而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞,但未給出如何考慮填充墻對結(jié)構(gòu)抗震不利影響的具體方法。工程計算中常采用考慮非承重墻剛度對結(jié)構(gòu)自振周期的折減系數(shù)?T來調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振周期,從而影響地震力的計算,這事實上是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。筆者通過有限元程序分析一典型框架結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)尺寸及布置如圖2,底層層高3.9m,其余為3.3m,共10層,梁、板混凝土強度等級為C30、柱為C35)不同填充墻材料、不同空間布置時,在Taft地震波、El-Centro地震波和廣州人工波作用下的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),認(rèn)為:(1)填充墻材料性質(zhì)造成其自身剛度的不同,隨填充墻自身剛度減小,對框架抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)減小,依次是標(biāo)準(zhǔn)磚、空心磚、加砌混凝土砌塊,但即使采用低強度砌塊,填充墻剛度對框架結(jié)構(gòu)的影響也不能完全忽略。(2)結(jié)構(gòu)同一層隨隔墻數(shù)量增加,周期減小,結(jié)構(gòu)剛度變大,層間剛度突變越來越不明顯,當(dāng)上下層的隔墻布置僅有少量差異時,結(jié)構(gòu)周期非常接近,影響很小。(3)令樓層填充墻截面面積與其上相鄰一層填充墻截面面積之比為?w,當(dāng)某層?w≤45%時,應(yīng)將該層視為“薄弱層”。為保證有足夠的安全度,實際設(shè)計過程中,建議?w不低于60%。(4)“薄弱層”在底層時,對結(jié)構(gòu)整體性能影響最大,地震力作用下底層發(fā)生破壞的可能性最大;“薄弱層”往頂層移動,只在“薄弱層”位置處位移增大,剛度突變,上下層剛度比增加,但與其上相鄰三層剛度均值之比卻在減小,剛度比不滿足規(guī)范要求;“薄弱層”在頂層時,對結(jié)構(gòu)整體影響最小。(5)“薄弱層”填充墻的數(shù)量及其在樓層中的位置是影響自振周期計算的兩個主要原因;隨“薄弱層”位置不同,填充墻對框架抗側(cè)剛度的參與率不同,隨高度增加而有所減小,建議規(guī)范提出考慮填充墻影響的框架抗側(cè)剛度計算模型。1.2樓板對框架梁承載力及剛度的影響框架結(jié)構(gòu)中,樓板與梁共同澆注,實際參與梁的受力,一定程度上提高了框架梁的抗彎剛度和承載力。影響現(xiàn)澆樓板對框架梁增強作用程度的橫向梁剛度以及側(cè)向位移值[4]。樓板內(nèi)的鋼筋會使框架梁的實際抗彎承載力增大20%~30%,甚至有些情況下會增大近1倍[5]。但結(jié)構(gòu)設(shè)計中僅考慮樓板對框架梁抗彎剛度的提高,將中梁和邊梁的剛度按原框架梁矩形截面剛度乘2.0或1.5的增大系數(shù)。此做法雖然增大了梁端彎矩,但同時亦增大了梁的配筋,且樓板鋼筋的作用未計入。因此,要真正實現(xiàn)“強柱弱梁”的設(shè)計目標(biāo),必須考慮樓板有效翼緣寬度范圍內(nèi),梁受到的增強作用,并將其等效為T形或者形梁進(jìn)行設(shè)計計算。1.3柱軸壓比的影響文獻(xiàn)[3]規(guī)定,框架結(jié)構(gòu)柱的軸壓比限值在0.7~0.9之間,隨抗震等級提高而減小。與日本規(guī)范相比,我國規(guī)范的軸壓比要大很多,是其2~3倍。軸壓比限值越高,柱的截面允許尺降低了梁柱線剛度比,使得“強柱弱梁”機制難以實現(xiàn)。2抗震規(guī)范對“強柱弱梁”的考慮現(xiàn)行抗震規(guī)范對“強柱弱梁”的考慮主要通過調(diào)整梁端柱端的計算真正實現(xiàn)“強柱弱梁”。規(guī)范最新修訂稿[6]即送審稿對上述條款作了適當(dāng)調(diào)整,提高了框架結(jié)構(gòu)的柱端彎矩增大系數(shù),從原先的“一級取1.4、二級取1.2、三級取1.1”,提高到“一級取1.7、二級取1.5、架,一級取1.4、二級取1.2、三、四級取1.1”。為了防止底層柱底過早出現(xiàn)塑性屈服,對原先的“一、二、三級框架結(jié)構(gòu)的底層,柱下端截面組合的彎5和1.15”,提高到“一、二、三、四級框架結(jié)構(gòu)的底層,柱下端截面組合的彎矩設(shè)計值,應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.7、1.5、1.3和1.2”。同時指出,要真正實現(xiàn)“強柱弱梁”,除了按實際配筋計算外,還應(yīng)計入梁兩側(cè)有效翼緣范圍樓板鋼筋的影響。所以送審稿雖在一定程度上加大了框架柱的配筋量,但能否真正實現(xiàn)“強柱弱梁”,送審稿(文獻(xiàn)[6])同時修改了框架結(jié)構(gòu)的抗震等級確定條件,將文獻(xiàn)[3]中以30m為界限區(qū)分不同設(shè)防烈度區(qū)域的抗震等級,改為以24m作為界限高度;并將柱軸壓比限值,從這對24~30m高的框架結(jié)構(gòu)來講,承載力得到較大提升,同時,柱軸壓比限值的減小一定程度上提升了柱的承載力和剛度。此外,送審稿從“強剪弱彎”角度出發(fā),提高了柱剪力增大系數(shù):由原先的一級取1.4、二級取1.2、三級取1.1,提高到一級取1.5、二級取1.3、三級取1.2。“強柱弱梁”破壞機制的實現(xiàn)受到眾多實際因素的制約,必須進(jìn)一步研究填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對梁柱剛度的影響并體現(xiàn)到設(shè)計計算中去;必須進(jìn)一步研究現(xiàn)澆樓板對梁剛度和承載力的影響,并在實際設(shè)計中予以考慮;還需要更為嚴(yán)格地限制柱的軸壓比,以提高柱的剛度至合理范圍。建筑抗震規(guī)范送審稿雖然提高了柱的彎矩增大系數(shù)和剪力增大系數(shù),同時降低了判別框架的同時,結(jié)構(gòu)造價有所提高,總造價增加19.9%左右。保證強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件的概念設(shè)計為了保證強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件的抗震設(shè)計概念，設(shè)計中應(yīng)滿足如下要求：⑴實配柱縱筋和箍筋時，應(yīng)考慮梁翼緣板的作用和梁裂縫寬度驗算或超配而增加梁縱筋的⑵對于大跨度的框架結(jié)構(gòu)，框架柱的線剛度須大于框架梁的線剛度的1.1倍。水平錨固的要求。框架柱縱向鋼筋直徑宜≥16㎜。⑸對于底層空曠(如架空層、商場、騎樓等)，二層以上框架之間有砌體的框架建筑，須底層豎向構(gòu)件地震剪力應(yīng)乘以1.15的放大系數(shù)。(6)剪力墻豎向分布鋼筋直徑應(yīng)≥10㎜，剪力墻邊緣構(gòu)件(暗柱)鋼筋直徑應(yīng)≥14㎜由于梁翼緣板和梁裂縫寬度驗算增加的梁縱筋的作用，低估了梁端的承載力，相對高估了柱端承載力，因此在實配柱縱筋和箍筋時，應(yīng)考慮這部分梁縱筋的影響：柱增加的單向縱筋和箍筋可按以下簡化計算確定：為了減輕設(shè)計人員的工作量，可按以下方法配筋： (a)考慮梁翼緣板的影響時，柱縱筋單邊增加3(二級鋼)，柱箍筋增加量對于小截面框架柱(高度)，在箍筋間距200情況下，單邊增加0.503(即一級鋼)；對于框架柱截面高 (b)考慮梁裂縫寬度驗算或超配影響時，柱縱筋單邊增加50%Agb，Agb為驗算裂縫寬度或超配增加的梁面支座鋼筋。柱箍筋應(yīng)計算其增加量。一般情況下，由于有板的有利作用，無須再增加梁支座鋼筋的數(shù)量。⑵對于大跨度的框架結(jié)構(gòu)，規(guī)定了柱截面的最小尺寸，由于梁跨度大，梁截面和梁跨中底弱梁⑶對于4-6.8m