鋼筋混凝土框架結構設計中強柱弱梁的分析研究

王方亮，鄧長軍

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 概述

隨著我國水電事業的發展和城市工業化進程的加快，大量的鋼筋混凝土框架結構應用于水電站、城市基礎和工業設施建設。通過對2008年5.12汶川特大地震災后情況分析看，雖然鋼筋混凝土框架結構具有結構布置規則、使用靈活等特點，但其整體結構抗側剛度較小，建筑物發生填充墻開裂破壞，框架梁柱節點破壞，柱端形成塑性鉸等震害特征。筆者以下著重介紹了關于強柱弱梁的機制、影響強柱弱梁的因素并提出了相應的結構設計建議。

2 強柱弱梁機制

強柱弱梁是指節點處柱端實際抗彎承載力大于梁端實際抗彎承載力，以保證在遭遇大震時框架結構的塑性鉸發生在框架梁梁端而不發生在框架柱柱端，以提高結構的變形能力，防止在強烈地震作用下倒塌。

強柱弱梁是從結構抗震設計角度提出的結構概念。即柱子不先于梁破壞;梁破壞屬于構件破壞，是局部性的;而柱子破壞將危及整個結構的安全，導致整體倒塌，后果嚴重。

根據我國《建筑抗震設計規范》，結構抗震承載力是依據多遇地震作用下考慮作用效應分項系數和材料強度分項系數后并通過罕遇地震作用下薄弱層彈塑性變形計算確定的。而在罕遇地震作用下，結構承載力相對不足，需通過結構的塑性變形耗能來彌補。試驗研究表明:梁先屈服，可使整個框架有較大的內力重分布和能量消耗能力，極限層間位移增大，抗震性能較好。

3 影響強柱弱梁的主要因素

(1)實際工程中，很多圍護結構是填充墻，由于填充墻的存在，使得結構在早期彈性階段會有很大的剛度，吸收了很大的地震力。都江堰某辦公樓填充墻采用空心磚砌筑，外部填充墻局部坍落，內部填充墻成X 型破壞，頂部斷裂，破壞嚴重。但該填充墻起到了第一道抗震防線作用，保證了主體結構免受破壞。但填充墻具有一定的剛度和承載力，填充墻的布置很可能使框架柱實際剪跨比減小而成為短柱，易形成脆性剪切破壞。

(2)在結構設計中，一般不考慮樓板參與整體計算，而是直接將荷載倒算在梁上，在計算水平荷載(地震與風荷載)的時候考慮樓板對梁剛度的提高作用，用一個中梁(邊梁)剛度放大系數來考慮樓板的作用，但計算梁配筋的時候又僅考慮矩形截面，這就形成了本來是T 形梁承受荷載，而鋼筋計算卻完全集中在矩形截面中的情況。現澆樓板對梁的剛度影響可通過梁剛度放大系數予以近似考慮，但就現澆樓板配筋對梁端實際受彎承載力的影響，但研究和設計措施相對滯后。

(3)梁端負彎矩是影響強柱弱梁的重要因素，梁端負彎矩越大，對框架柱的要求越高，因此，適當降低梁端負彎矩數值，對強柱弱梁的設計具有積極意義。在強柱弱梁驗算中，梁端正彎矩與其相鄰跨的梁端負彎矩組成強柱弱梁驗算中的梁端力偶，合理取用梁端正彎矩數值，同樣對強柱弱梁的實現具有積極意義。

(4)裂縫計算加大了梁端的抗彎能力。不合理的裂縫計算加大了梁端配筋面積，導致梁端計算彎矩過大，梁端裂縫寬度計算值大于實際值。同時加大了梁端配筋、抗震調幅與梁端裂縫撓度計算的矛盾，對強柱弱梁機制的實現增加了新的負擔。

(5)梁端實配鋼筋直接影響梁端受彎承載力，因此，合理控制梁端實配鋼筋與計算鋼筋的比例關系，對強柱弱梁的實現意義重大。

(6)梁柱剛度比過大，易導致強柱弱梁機制難以實現。

4 強柱弱梁結構設計的建議

(1)應將填充墻分為永久性和非永久性兩類。永久性填充墻應加入整體結構抗震分析計算中，而非永久性填充墻應采用輕質填充墻，以免影響主體結構的受力和變形。

(2)在結構分析計算中，框架梁端部負彎矩是將框架柱柱截面中心線之間的跨度作為計算跨度的。由于結構內力計算沒有考慮柱截面尺寸對構件的影響，加大了梁端截面的配筋量，進而加大了實現強柱弱梁的難度。

(3)在驗算梁端截面的裂縫寬度時，內力取值和實際截面位置不統一，這種內力與計算截面的不一致導致梁端計算彎矩過大，梁端裂縫寬度的計算值大于實際值。同時，加大了梁端配筋，對強柱弱梁的實現極為不利。

(4)目前，梁的設計造成了梁端頂面的實際配筋大大超出了強柱弱梁計算中對應于梁底彎矩設計值的配筋量。當采用多排鋼筋時，問題更為突出。

(5)現澆樓板的配筋對框架梁實際截面承載力有較大影響。在梁端截面有效受拉翼緣寬度范圍內，與框架梁跨度同向的樓板鋼筋對框架梁端部的實際抗彎承載力的影響較大，從而加劇了實現強柱弱梁的難度。

5 結語

影響強柱弱梁機制實現的因素很多，如目前計算軟件的缺陷、理論研究的滯后和抗震措施的不足等。完善設計計算理論、加快理論研究的步伐和彌補抗震措施的不足，對實現強柱弱梁機制具有重大意義。以上內容為筆者在實際工作中積累的一些工程設計經驗，可供設計人員參考和借鑒。

［1］建筑抗震設計規范，GB50011-2010［S］.

［2］陳陽，呂峰.淺議混凝土框架設計中強柱弱梁的實現［J］.林業科技情報，2010，42(1):23，26.

［3］朱炳寅.建筑結構設計問答與分析［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.