框架結構抗震設計中強柱弱梁的實現探討

摘要：在抗震設計中，“強柱弱梁”作為設計延性框架所采取的基本措施之一，應貫徹在整個設計過程中，從各方面保證增大框架柱的安全度，使框架梁成為相對較弱的的構件。但在實際的設計過程中，影響到實現強柱弱梁的因素有很多，設計時應加強概念設計，對規范條文不宜照搬照抄機械執行。

關鍵詞：框架結構；強柱弱梁；概念設計

1 引言

概念設計對于結構設計來說十分重要，甚至可以說概念設計是結構設計的根本。概念設計有幾個重要原則：“強柱弱梁”，“強節點弱構件”，“強剪弱彎”。本文重點討論框架結構的強柱弱梁問題。

框架結構設計上要求強柱弱梁，以保證結構的延性，用以提高結構的變形能力，防止在強烈地震作用下倒塌。強柱弱梁不僅是手段，也是目的，其手段表現在人們對柱的設計彎矩人為放大，對梁不放大。其目的表現在調整后，柱的抗彎能力比之前強了，而梁不變。即柱的能力提高程度比梁大。這樣梁柱一起受力時，梁端可以先于柱屈服。

2 規范的相關規定

《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）第6.2.2條規定：一、二、三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式要求：

∑Mc =ηc∑Mb （1）

一級框架結構及9度時尚應符合

∑Mc =1 .2∑Mbua （2）

式中各符號意義見規范。

當反彎點不在柱的層高范圍內時，柱端截面組合的彎矩設計值可乘以上述柱端彎矩增大系數。《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2002）第6.2.5，第7.2.22條以及《混凝土結構設計規范》（GB50010-2002）第11.3.2條均有相似的規定。

3 問題

但汶川地震的結果并不如預想的一樣，如下列圖：

4 討論如何從設計上保證強柱弱梁

（1） 框架梁端彎矩調幅

由于鋼筋混凝土結構具有塑性內力重分布性質，在豎向荷載下可以考慮適當降低梁端彎矩，進行調幅。

優點：①減少負彎矩鋼筋的擁擠現象。

②有利于實現強柱弱梁

③減少梁端，增大跨中，梁構件偏于安全。

（2）中梁剛度放大系數

《高規》第5.2.2條規定：在結構內力和位移計算中，現澆樓板和裝配整體式樓面中梁的剛度可考慮翼緣的作用予以放大。其建議中梁該系數取2，邊梁取1.5。

規范對于梁剛度的放大主要是為了考慮樓板剛度對梁的貢獻。因為我們手算、電算的時候是無法考慮樓板對梁的剛度貢獻，因此規范規定可通過采用梁剛度放大的方法來近似考慮。

但在實際操作過程中，若對中梁剛度進行放大，一般情況下梁的內力會增加，相應配筋也會變大，因為T形截面的鋼筋全配在了矩形截面里。結構有由強柱弱梁往強梁弱柱轉化的趨勢。

所以建議算梁內力時，中梁剛度放大系數取1.0，算位移時，可以考慮中梁剛度放大。

（3）柱梁的線剛度比

雖然規范沒有規定框架結構柱梁線剛度比。但是框架柱作為豎向構件，有必要截面適當的強，對于傳遞豎向力的水平構件的框架梁也有必要適當的弱。在抗震設防區，框架柱與框架梁的線剛度比宜控制在1.5～2.5范圍較為合理。但有些情況不宜實現，往往框架柱與框架梁的線剛度比值還會很小，比如框架柱與井字梁的邊梁的線剛度比值。此時建議結合柱軸壓比進行控制，軸壓比應比規范規定限值要小多些。

（4）控制柱子配筋率

《混凝土結構設計規范》規定柱中全部縱向鋼筋的配筋率不宜大于5%。

但本人認為最好控制在1%～2.5%，一方面經濟性較好，另一方面說明柱截面尺寸相對合適。當柱配筋較大時說明柱截面尺寸相對較小，帶來的必然是柱的線剛度較小。

5 中梁剛度放大系數的影響

《高規》第 5.2.2 條規定：在結構內力與位移計算中，現澆樓面和裝配整體式樓面中梁的剛度可考慮翼緣的作用予以放大。樓面梁剛度增大系數可根據翼緣情況取1.3—2.0。按照《高規》條文說明中的建議，當近似以梁剛度增大系數考慮時，應根據梁翼緣尺寸與梁截面尺寸的比例予以確定，通常邊框架梁取1.5，中框架梁取2.0。

在水平地震力作用下，梁剛度對于結構內力、位移、周期等均有影響。一般情況下，梁的剛度增大，其內力也會相應增大，配筋增加，導致梁承載力得到提高。而對于大多數柱子而言，即使柱端彎矩增加，其配筋面積仍然為構造配筋，承載力并沒有相應得到增加，這樣就使結構存在由強柱弱梁向強梁弱柱轉變的趨勢。并且，即使框架柱是計算配筋，在水平地震力作用下，由于梁剛度增大很多，使內力更多地分配給了框架梁，從而造成框架柱內力減小，配筋減小，承載力降低，更有可能使結構轉變成強梁弱柱，對抗震更加不利。

所以，筆者認為在計算框架梁柱配筋時，要合理考慮設置梁剛度放大系數，并且相應增加框架柱的計算和構造措施。比如，在實配柱縱筋和箍筋時，應考慮由于梁翼緣板的作用和梁裂縫寬度驗算所導致增加梁縱筋的影響；增大框架柱的最小截面尺寸及最小配筋率等。

6 結論

強柱弱梁概念設計對框架結構的延性及安全性起著重要作用，因為一旦柱端先與梁端出現塑性鉸，輕者引起局部坍塌，重者引起整幢樓倒塌。因此結構設計時應充分重視強柱弱梁的實現。本文從結構設計過程中指出應該注意的問題和指標。對結構設計有一定的指導意義。

參考文獻：

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