鋼筋混凝土現澆框架強柱弱梁屈服機制研究

王 需

0 引言

在鋼筋混凝土框架的設計中，應以實現梁鉸機制為最佳選擇，其次為梁鉸和柱鉸形成的混合鉸機制，應避免結構出現柱鉸破壞機制。

為此，規范提出了“強柱弱梁”屈服機制，保證節點處柱的抗彎承載力和剛度高于梁端，以形成梁鉸破壞機制。但是在汶川地震中，大量鋼筋混凝土框架結構出現了柱鉸機制，且結構發生了不同程度的損壞，其中重要的一點就是并未實現抗震設計思想中“強柱弱梁”屈服機制的要求，從而造成了大量框架結構的破壞甚至結構倒塌事件。

本文根據新規范的強柱弱梁設計要求，分析了影響強柱弱梁屈服機制形成的原因，提出了實現該屈服機制的設計方法。

1 鋼筋混凝土框架的要求

GB 50011-2010建筑抗震設計規范[1］中保證“強柱弱梁”的措施是考慮控制柱端和梁端的彎矩比，具體規定如下:

一、二、三、四級框架的梁柱節點處，除框架頂層和柱軸壓比小于0.15者及框支梁與框支柱的節點外，柱端組合的彎矩設計值應符合下列要求:

一級的框架結構和9度的一級框架可不符合上式要求，但應符合下式要求:

其中，∑Mc為節點上下柱端截面順時針或逆時針方向組合的彎矩設計值之和，上下柱端的彎矩設計值，可按彈性分析分配;∑Mb為節點左右梁截面逆時針或順時針方向組合的彎矩設計值之和，一級框架節點作用梁端均為負彎矩時，絕對值較小的彎矩應取零;∑Mbua為節點左右梁端截面逆時針或順時針方向實配的正截面抗震受彎承載力所對應的彎矩值之和，根據實配鋼筋面積(計入梁受壓筋和相關樓板鋼筋)和材料強度標準值確定;ηc為框架柱端彎矩增大系數;對框架結構一、二、三、四級可分別取1.7，1.5，1.3，1.2;其他結構類型中的框架，一級可取 1.4，二級可取 1.2，三、四級可取 1.1。

GB 50011-2001 2008版建筑抗震設計規范中規定一、二、三級柱端彎矩增大系數為 1.4，1.2，1.1，2010 版新抗震設計規范明顯定義了更加嚴格的柱端彎矩增大系數。

2 影響“強柱弱梁”屈服機制實現的因素

2.1 現澆板的影響

現澆板中的鋼筋增強了梁端實際抗彎承載力，對梁端出鉸產生了不利的影響，在正彎矩區，樓板的配筋參與受力，與框架梁共同作用形成T梁，一定程度提高了框架梁的剛度和承載力;類似的在負彎矩區，樓板內超配鋼筋的參與工作等同于增加了框架梁的負彎矩筋，使得框架梁的負彎矩承載力也大大加強[2］。

美國ACI318-02中定義節點左右梁的抗彎強度考慮了與梁共同作用的有效翼緣寬度內的樓板參與受力，即將帶樓板梁等效為T型梁或Γ型梁。我國現行抗震設計規范雖然大幅度提高了柱端彎矩增大系數，并對能否實現“強柱弱梁”屈服機制有必要進行更深入的研究。

2.2 柱軸壓比的影響

現行規范軸壓比限值偏高是導致框架結構抗地震倒塌能力不足的主要原因。

在地震過程中，軸壓比過高容易造成柱壓潰破壞，適當控制軸壓比對實現強柱弱梁機制是非常有益處的。

由于汶川地震中豎向振動很大，巨大的軸壓容易使混凝土壓潰而發生剝離脫落，從而嚴重削弱柱端的抗剪能力，而柱端出鉸并不會減小其所受到的地震剪力，因而很容易引起剪切破壞。因此，需要考慮壓彎破壞對柱端抗剪承載力降低的影響，防止柱端混凝土強度嚴重退化，充分保證“強柱弱梁”屈服機制的實現[4］。

2.3 雙向地震作用的影響

在雙向地震作用下，鋼筋混凝土框架柱的受力情況更加復雜，斜向受到的地震彎矩也會顯著增大，特別是雙向地震的耦合作用將使柱端更容易發生塑性反應，地震作用下框架結構更容易出現梁柱鉸，甚至柱鉸的耗能機制，使得結構的抗倒塌能力顯著下降。

2.4 人為原因造成的梁端鋼筋超配

在結構設計中出于安全考慮人為將各構件控制截面計算所得配筋根據經驗加大，人為的增大梁端配筋量，而忽視了對柱配筋的考慮，從而造成實際配筋中梁端彎矩遠大于規范設計值，使結構的柱端彎矩小于梁端彎矩，對結構整體抗震性能造成不利。

3 強柱弱梁設計中應考慮的因素

1)為有效確定現澆樓板對梁強度和承載力的影響，建議在框架設計中需要考慮一定板寬范圍內的樓板鋼筋參與框架梁的共同受力，才能確保實現“強柱弱梁”機制。

2)目前的研究認為柱端彎矩增大系數應進一步放大，才能形成“強柱弱梁”機制，建議在后續工作中進一步考察規范系數的有效性。

3)考慮到設計中的人為因素和材料的離散性等，建議在鋼筋混凝土框架設計中，取實際配筋計算，或者考慮適當的增加柱端配筋梁。

4 結語

1)2010版建筑抗震設計規范提出了更加嚴格的柱端彎矩增大系數，顯著的提高了強柱弱梁屈服機制的實現，但是其實際效果有必要進行進一步的研究。

2)分析了影響結構強柱弱梁屈服機制實現的因素，其中現澆樓板對鋼筋混凝土梁的剛度和創造力提升顯著，建議在計算混凝土梁抗彎強度時考慮與梁共同作用的有效翼緣寬度內的樓板參與受力;柱軸壓比是影響柱剛度和承載力的重要因素;雙向地震和人為因素也對強梁弱柱屈服機制的實現有一定的影響。

3)針對影響強柱弱梁屈服機制實現的幾種因素，建議在設計和施工中考慮現澆板配筋對梁剛度和創造力的貢獻。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S］.

[2]楊 紅，王七林，白紹良.雙向水平地震作用下我國框架的“強柱弱梁”屈服機制[J］.建筑結構，2007，37(8):71-76.

[3]王曉峰，秦 榮，劉光焰.水平荷載作用下框架結構動力穩定性研究[J］.山西建筑，2010，36(11):75-76.

[4]葉列平，曲 哲，馬千里，等.從汶川地震框架結構震害談“強柱弱梁”屈服機制的實現[J］.建筑結構，2008，38(11):52-59.

[5]騰祥泉，徐志強.框架結構強柱弱梁影響因素分析及設計建議[J］.山西建筑，2010，36(15):54-55.