探討鋼筋混凝土結構“強柱弱梁”影響因素及對策

譚小平，楊 虹，于文慧

(西華大學建筑與土木學院，四川成都610039)

建筑界有一句諺語：“梁壞倒兩間，柱壞倒大片”。說明在地震中，柱破壞嚴重程度遠遠大于梁破壞的情況，體現柱構件在結構設計的重要性。在建筑抗震結構設計中，“強柱弱梁”是抗震設計的基本原則。但在現實中，根據現行規范設計的結構由于設計和施工等因素往往并不能完全滿足梁鉸機制破壞先于柱鉸機制破壞的要求，而出現了“強梁弱柱”這一現象，在歷次的國內外大地震中造成了極大的人員傷亡和財產損失，釀成不可彌補的損失。

1 結構設計規范中體現強柱弱梁的措施

《建筑抗震設計規范》(GB 50010-2010)[1]6.2.2條：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式要求：

∑Mc=ηc∑Mb

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：

∑Mc=1.2∑Mbua

式中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。式中其他符號見規范，此處從約。

6.2.3條：一、二、三、四級框架結構的底層，柱下端截面組合的彎矩設計值，應分別乘以增大系數1.7、1.5、1.3和1.2。底層柱縱向鋼筋應按上下端的不利情況配置。

按照《建筑抗震設計規范》(GB 50010-2001)[2]設計的建筑，經過2008年汶川地震的檢驗，發現房屋的破壞機制基本上以“柱鉸破壞”的形式為主，達不到結構設計要求的“梁鉸破壞”機制，是造成此次地震重大人員傷亡和財產損失的主要原因。從抗震規范上來講，基本思路是通過控制框架柱端彎矩增大系數ηc來實現結構的“強柱弱梁”。王娜[3]等學者的研究發現，在不改變柱截面的情況下，調整ηc的取值，對結構在破壞時的形態有重要的改變。因此現行規范在2001版抗規[2]基礎上相應加強對ηc的控制：抗震等級為一級ηc由1.4變為1.7，抗震等級為二級ηc由1.2變為1.5，抗震等級為三級ηc由1.1變為1.3。

2 影響結構“強柱弱梁”的主要因素和方法

2.1 現澆樓板

以前的設計以預制樓板為主，結構的整體性太差，在地震作用下多數出現了大面積的樓板塌陷的情況。現行結構設計，采用現澆鋼筋混凝土樓板。雖然克服了預制板的整體性差的缺點，但卻出現了新的問題：首先，在結構計算中，現澆板對結構的作用僅僅通過放大梁的剛度來考慮，但卻忽略了現澆板中鋼筋對梁的貢獻。王世普[7]等學者用實例分析了板鋼筋對梁實際承載力的影響，分析結果表明：樓板在最小配筋率的情況下，樓板對梁承載力提高為10%；當板配筋率較高時，對梁受彎承載力的提高超過30%；如果再加上梁本身的實際配筋率比計算配筋率高的部分，累計結果將會大大超過柱端彎矩增大系數，易出現“強梁弱柱”的破壞機制。第二，在結構計算模型假定中[6]，荷載的傳遞路徑是板→梁→柱。但實際上荷載由樓板直接傳給柱的情況也不少，導致理論計算的彎矩與實際情況不相符。

現行2010年版《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)中，強調確定彎矩比系數(框架柱端增大系數)來考慮現澆樓板中鋼筋的貢獻，但規范正文與條文說明中都沒有給出明確彎矩比系數的定量方法。

2.2 填充墻

填充墻與純框架結構的作用非常密切，但目前用現行通用的結構軟件PKPM建立模型時，方法是將填充墻轉化為均布線荷載加載到梁上，再乘以小于1的周期折減系數來調整結構自振周期。從理論上來講，此種方法具有一定的合理性，但是在實際中，填充墻與框架結構之間的關系相對復雜，葉列平[4]等學者的研究表明：在強烈的地震作用下，填充墻的剛度效應和約束效應會導致短柱的產生，形成更為嚴重的剪切破壞。因此不能單純將填充墻作為一種荷載形式加載到結構模型和乘以小于1的周期折減系數來考慮填充墻的作用。

2.3 柱軸壓比

在地震過程中，柱軸壓比過高容易造成壓潰破壞，對結構的影響甚大。王素裹[5]等學者建立了實際模型：比較高軸壓比和低軸壓比模型的破壞形態，表明低軸壓比的結構比高軸壓比的結構更容易出現梁端塑性鉸。目前我國的軸壓比限值仍然偏高，對實現結構“強柱弱梁”不利。

2.4 人為原因造成的梁端鋼筋超配

在結構設計中出現人為增大梁端配筋量，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計算值，出現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。

2.5 其他因素

除了上述影響結構“強柱弱梁”的因素之外，還有其他因素對結構產生不小的影響，如實際材料強度和結構構件幾何尺寸的離散性、結構荷載的不確定性、實際結構與計算模型的差異性、其他非結構構件對主體結構的影響等，但是現在對這些影響因素研究的還不多。

3 實現“強柱弱梁”的對策

3.1 現澆樓板

考慮現澆樓板與矩形梁共同形成的T形梁來分析研究樓板對結構抗震性能的影響。本文對框架梁采用矩形截面和T形截面兩種模型進行分析計算。工程概況為：5層鋼筋混凝土框架結構，7度設防，設計地震分組第二組，結構抗震等級為三級。縱向4跨，橫向3跨，開間5 m×5 m，層高3.6 m，樓面恒載標準值2 kN/m2，樓面活載標準值2 kN/m2。截面尺寸：柱450 mm×450 mm，矩形梁250 mm×500 mm(圖1)；T形梁，從梁邊取翼緣寬度400 mm(圖2、圖3)。

圖1 矩形截面

圖2 “T”形截面

圖3 “Г”形截面

梁、柱混凝土強度等級C30，樓板采用C25。梁、柱縱筋均為HRB 400級，箍筋采用HPB 300級。為保證兩個模型的總質量相同，建模時將樓板與樓板荷載折算成梁間荷載輸到梁上。結構設計按SATWE計算，矩形與“T”形截面框架梁配筋均為：梁端上部1 100 mm2，梁下部600 mm2；柱每側配筋600 mm2，角部配200 mm2。分別對兩個模型輸入Taft波，Oroville Earl Broadbe波，蘭州人工波(LAN2-2)進行動力時程分析：得到最大樓層位移曲線(圖4)、最大層間位移角曲線(圖5)。

(a)“T”形截面框架最大樓層位移曲線

(b)矩形截面框架最大樓層位移曲線

(a)“T”形截面框架最大層間位移角曲線

(b)矩形截面框架最大層間位移角曲線

由最大樓層位移曲線、最大層間位移角曲線可以看出，T形截面梁的最大樓層位移Δ=11.6 mm，矩形截面梁的最大樓層位移Δ=12.4 mm，故T形截面梁比矩形截面梁的抗側剛度更大。當梁的翼緣為400 mm時，對矩形截面梁的抗震性能提高約為7%。通過算例可以發現，按現行規范設計的框架，在考慮中梁與邊梁的抗彎剛度對承載力的增強作用時，要有準確的認知，否則實際結構可能會出現弱柱強梁的破壞模式，這與“強柱弱梁”的破壞模式相違背。

3.2 填充墻

目前規范及現有計算手段尚無法將填充墻對結構剛度的影響進行量化分析。何惟雄[10]學者建議設計時可以將填充墻按等強度代換的原則換算成較薄的混凝土墻輸入模型中，考察填充墻剛度對整體結構的影響，尤其是在結構體型較為復雜且填充墻數量較多的情況下，對于結構扭轉效應的控制，此方法有一定的參考意義。

3.3 柱軸壓比

袁賢訊[11]等學者研究表明：要從根本上解決軸壓比限值給設計帶來的矛盾，應從整體結構的延性要求及延性能力兩方面著手，實現延性的定量化設計。具體方法如下：

(1)柱的延性要求應從結構整體失效破壞機制著手，研究不同破壞機制的可能性(即失效概率)以及不同破壞結構對各構件延性的要求。對于這個問題的研究，需要全面綜合考慮影響失效模式的各種因素。

(2)影響柱子延性的因素除了軸壓比之外，尚有箍筋的形式與數量、縱向鋼筋配筋率、柱剪跨比、材料強度及變形性能等。細致分析各種影響因素的重要程度，可以從延性能力上提供一種放寬軸壓比限制的可能性和途徑。

(3)結合延性能力和延性要求兩方面的研究成果，以“大震不倒”為設計目標，在基于結構延性或結構耗能的抗震設計方法的框架中調整軸壓比限值。

4 結論

(1)考慮現澆板的影響，《建筑抗震設計規范》(GB 50010-2010)對各抗震等級的結構柱端彎矩調整系數作出了調整，對實現“強柱弱梁”有一定的提高，但是規范中沒有明確規定，具體怎樣把現澆板考慮進結構計算中。本文分別對矩形梁和T形梁建立模型，考慮現澆板的貢獻，得出T形截面梁比矩形截面梁的抗側剛度更大，抗震性能提高。

(2)填充墻對結構剛度影響很大，在結構設計時僅僅考慮用周期折減系數來體現填充墻的作用是遠遠不夠的。用概念設計理念提出了用等剛度代換的原則來換算填充墻，更能體現出填充墻的作用。

(3)限制柱的軸壓比是為了保證框架柱在受拉破壞時滿足延性要求，適當增大柱截面有利于降低軸壓比，對實現“強柱弱梁”有很大的幫助。

[1] GB 50011-2010建筑抗震設計規范[S]

[2] GB 50011-2001建筑抗震設計規范[S]

[3] 王娜，吳超.混凝土框架結構強柱弱梁實現機制研究分析[J].四川建材，2011,37(1)

[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):52-67

[5] 王素裹，韓小雷，季靜，等.軸壓比對RC框架實現“強柱弱梁”的影響研究[J].世界地震工程，2010,26(3)

[6] 劉東，黃愛.影響框架結構“強柱弱梁”的主要設計因素及設計對策[J].四川建筑，2011(3)

[7] 王世普，龐新賓.框架結構強柱弱梁難以實現的部分原因分析[J].山西建筑，2010,36(27)

[8] Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI318-02) and Commentary (ACI318R-02)[S]. ACI Committee 318,2002

[9] GB 20010-2002 混凝土結構設計規范[S]

[10] 何惟雄.框架結構強柱弱梁分析及設計改進建議[J].山西建筑，2009,35(9)

[11] 袁賢訊，易偉建.鋼筋混凝土框架“強柱弱梁”及軸壓比限值得概率分析[J].重慶建筑大學學報，2000,22(3)

[12] 葉列平，馬千里，繆志偉.鋼筋混凝土框架結構強柱弱梁設計方法的研究[J].工程力學，2010,27(12)