影響框架結構“強柱弱梁”的主要設計因素及設計對策

劉 東，黃 愛

(四川三眾建筑設計有限公司，四川成都610031)

1 “強柱弱梁”的設計

“強柱弱梁”是延性框架設計的一項重要內容。《建筑抗震設計規范》(2008年版)(GB 50011 －2001)［1］(以下簡稱《抗震規范》)第6.2.2條條文說明指出:在強震作用下結構構件不存在強度儲備，梁端實際達到的彎矩與其受彎承載力是相等的，柱端實際達到的彎矩也與其偏壓下的受彎承載力相等。這是地震作用效應的一個特點。因此所謂“強柱弱梁”指的是:節點處梁端實際受彎承載力和柱端實際受彎承載力之間滿足:即在大震作用下實現梁鉸機制而不出現柱鉸機制。梁鉸機制優于柱鉸機制，是因為梁鉸分散在各層，即塑性變形分散在各層，不至于形成倒塌機構，而柱鉸集中在一層，塑性變形集中，該層成為薄弱層后，易形成倒塌機構;梁鉸的數量遠多于柱鉸的數量，在同樣大小的塑性變形和耗能要求下，對梁鉸的塑性轉動能力要求低，對柱鉸的塑性轉動能力要求高;梁是受彎構件，容易實現大的延性和耗能能力，柱是壓彎構件，尤其是軸壓比大的柱，不容易實現大的延性和耗能能力。

有一點必須明確:按規范規定設計的框架結構，只能適度推遲柱端塑性鉸的出現，而不能避免出現柱端塑性鉸。這一點《抗震規范》第6.2.2條文有明確說明，“只在一定程度上減緩柱端的屈服”。研究表明，要真正實現“強柱弱梁”，《抗震規范》第6.2.2條中的系數ηc不小于1.5。即便如此，目前各國抗震設計都不能實現完全的梁鉸機制，往往既有梁鉸又有柱鉸的混合鉸機制。

“5·12”汶川大地震中，按規范要求所設計的框架結構，規范所要求的“強柱弱梁”破壞形態幾乎沒有出現，反而出現了很多“強梁弱柱”的破壞形態。以下就對造成這種“強梁弱柱”破壞形態的原因從設計的角度作一定的分析。

2 影響“強柱弱梁”的設計因素

2.1 現澆樓板的影響

現澆樓板在整個結構中發揮了兩大作用:卸載作用和抗力作用。結構設計師在進行結構整體計算分析時，都是假定荷載傳遞途徑為:板→梁→柱。而實際上，很多荷載通過樓板的平面外剛度直接傳給了柱，這樣，根據假定算出來的框架梁彎矩是個“假”彎矩，和實際情況相差很大。要讓框架梁屈服，樓板就都要屈服，樓板的鋼筋和梁的鋼筋是共同工作的，所以實際上整個現澆鋼筋混凝土結構中的框架梁由于樓板的作用得到了增強。

目前常規設計中，一般不直接考慮樓板的平面外剛度，只通過放大框架梁剛度的方法來近似考慮樓板平面外的剛度。《高層建筑混凝土結構設計規程》(JGJ 3－2002)［2］(以下簡稱《高層規范》)第5.2.2條有相應的規定。對整體分析而言，這是一種合理的工程近似計算方法。既然內力計算時考慮了樓板平面外的剛度，理所當然，在框架梁配筋計算時，框架梁端截面配筋應按有翼緣的梁進行設計，同時將部分計算配筋配置在距梁邊一定范圍的板內，讓梁和此部分板共同承受這部分作用，這樣更符合實際情況。而實際配筋時，卻將全部的計算配筋配置在梁內，沒考慮梁邊兩側一定寬度范圍內板筋的共同作用，這導致框架梁實際所能承受的內力大于計算值。對于單個框架梁構件而言，這意味著樓板平面外剛度引起的內力被考慮到框架梁內力中去了，這是不符合實際的。

《抗震規范》第6.2.2條中指出:當計算梁端承載力時，若計入樓板的鋼筋，且材料強度標準值考慮一定的超強系數，則可提高框架結構“強柱弱梁”的程度。但如何考慮樓板的影響，卻沒有更具體的規定。

研究表明［3］－［4］，樓板內的鋼筋會使框架梁的實際抗彎能力增大20% ～30%，僅這種增大幅度，對大多數情況下的二級和三級框架，都會超過《抗震規范》第6.2.2條所取用的柱端彎矩增大系數。若再考慮其它因素所引起的框架梁的超配筋情況，則一級框架也可能滿足不了《抗震規范》第6.2.2條所規定的一級框架的“強柱弱梁”的要求。

2.2 梁端實配鋼筋的超配和鋼筋的超強及超屈服的影響

實際工程中，梁端鋼筋的超配(梁端負彎矩鋼筋、正彎矩鋼筋超配)，加大了梁端實際受彎承載力與計算受彎承載力的差距，再加上鋼筋的超強和超屈服使得這種差距更大。而《抗震規范》第6.2.2條條文說明中明確指出:該公式是建立在“梁端實配鋼筋不超過計算配筋10%的前提下”的。梁端實配鋼筋的超配直接影響梁端實際受彎承載力，因此必須合理控制梁端實配鋼筋與計算鋼筋的比例。

2.3 彈性計算模型的影響

目前國內規范體系采用彈性方法計算內力，在截面設計時再考慮材料的彈塑性性質(《高層規范》第5.2.3條通過梁端負彎矩調幅來近似考慮材料的彈塑性性質)。結構分析計算中，框架梁端部負彎矩按梁的計算跨度計算，荷載效應計算截面位于梁柱交點處(即在柱范圍中心處，即使考慮剛域時，梁端計算截面也位于柱截范圍內)，結構計算沒有考慮柱截面寬度對構件計算內力的影響。而構件抗力計算采用的是柱邊梁端截面，抗力和效應計算分別采用不同截面，加大了梁端截面配筋。《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2002)［5］(以下簡稱《混凝土規范》)第5.2.6條有明確規定:對與支承構件整體澆筑的梁端，可取支座或節點邊緣截面的內力值進行設計。對于這一點，目前大多數計算程序沒這個功能。

2.4 不合理裂縫寬度驗算的影響

就《混凝土規范》中的裂縫寬度驗算公式8.1.2而言，該式主要由原南京工學院丁大均研究組和中國建筑科學研究院提出，是從簡支受彎構件試驗研究成果得出的，它不適用于連續梁。但我們的規范中沒有表示。實際工程中，構件的變形會受到支承邊界的約束，因此引起的粘結破壞和引發次生裂縫的程度會小很多。

梁裂縫寬度驗算的內力取柱截面范圍內的梁計算端部，不是真正的梁端，而所驗算的截面取柱邊緣處梁的真實截面，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，梁端裂縫計算值大于實際值，為控制裂縫，不得不加大梁端配筋。

目前，施工圖審查單位常要求設計單位對各種構件都要提供裂縫寬度，而軟件編制單位也都能提供各類構件的裂縫寬度，但這種數據的可靠性是值得懷疑的。我們常因為計算得出的裂縫寬度過大，而不得不多配鋼筋，這不僅造成了浪費，而且節點區配筋過多，使混凝土不易振搗，影響混凝土密實度，更不易實現“強柱弱梁”。

2.5 梁底鋼筋不合理配置的影響

目前，梁詳圖設計絕大部分都采用國家建筑標準設計圖集03G101(《混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規則和構造詳圖》現澆混凝土框架、剪力墻、框架—剪力墻、框支剪力墻結構)［6］(以下簡稱《03G101》)。設計時，柱左右兩端的梁下部鋼筋直徑很多時候不同，若按《03G101》統一在柱支座處錨固搭接，造成梁柱節點處鋼筋過多，從而影響混凝土的澆筑質量，對實現“強柱弱梁”極為不利。當下部鋼筋排數多于一排時，全部鋼筋均伸入柱支座，這種影響更大。

2.6 輕質填充墻的影響

框架結構中的砌體填充墻和圍護墻剛度大，所分配的地震力大，但承載力低，變形能力差，地震中首先承受地震力而破壞。它的存在，減小了主體結構的自震周期，增大了結構的地震作用;而且由于其不均勻布置，改變了主體結構的側向剛度分布，從而改變了地震作用在各構件之間的內力分布狀態;它與框架梁共同受力，顯著減少了框架梁彎曲變形，增大了框架梁的剛度和抗彎承載力。填充墻體對框架結構自震周期的影響是復雜的，隨墻體材料的不同、布置方式的不同而不同。目前，規范及現有計算手段尚無法對填充墻對結構剛度的影響進行量化分析，規范只用一個統一的周期折減系數來近似考慮填充墻對結構剛度的影響，對整個結構而言，未免過于粗糙，對具體部位的構件而言，就顯得更過于粗糙了。

2.7 柱的軸壓比限制規定偏高，柱最小配筋率和最小配箍率偏小，柱截面尺寸偏小

柱的最小配筋率可使柱的基本受彎承載力得到一定的保證，而最小配箍率則可保證對核心混凝土的基本約束。相比美國ACI規范，我國《抗震規范》所要求的最小配筋率總體偏小。

在最小配箍率方面，美國規范和我國《抗震規范》大體相當。但美國規范所要求的箍筋直徑高于我國《抗震規范》的要求，且美國規范規定使用的鋼筋最小屈服強度為280 MPa，最高屈服強度為550 MPa，而我國多用HPB235級鋼筋作箍筋，實際中最高用HRB400級鋼。因此，美國規范在箍筋方面的要求比我國《抗震規范》要求的高。

在軸壓比限制方面，日本規范換算為我國的情況約為0.33，比我國的規范低很多。由于軸壓比限制偏高，當柱按較高的軸壓比限制控制設計時，使得柱截面尺寸過小，長細比偏大。

3 設計對策

3.1 充分考慮現澆樓板的作用

在計算上，充分考慮現澆樓板平面外的剛度，可采用殼元細分。現澆樓板內的鋼筋有增大梁端負彎矩受彎承載力的作用。參與受力的板內鋼筋的范圍與梁端的屈服程度有關:梁端未屈服時，板內鋼筋基本不參與受力;隨梁端屈服的嚴重程度增大，板內參與受力鋼筋的范圍增大，但板內鋼筋參與的程度隨著鋼筋離開梁肋距離的增大而減少。為真正實現強柱弱梁，計算梁端的受彎承載力時，應適當考慮現澆樓板中的鋼筋對框架梁端部實際正截面抗震受彎承載力的影響，考慮框架有效翼緣寬度范圍(考慮樓板受拉，可近似取梁兩側各為3倍樓板厚度范圍)內，與框架梁跨度同向的板頂鋼筋的作用。但此時應注意，板有效寬度內與梁平行的鋼筋應根據框架梁負彎矩縱筋的要求延伸足夠長度后才能截斷。

3.2 保證抗力和效應計算截面的統一

在承載能力極限狀態計算時，抗震設計的結構應采用考慮結構塑性內力重分布的分析方法，同時采用柱邊緣截面處的梁內力設計值，使構件承載力和荷載效應計算截面統一。另外，在構件的裂縫寬度驗算中，也宜采用考慮塑性內力重分布的分析方法，同時也采用柱邊緣截面處的梁端內力值，確保抗力和效應計算截面統一，從而避免裂縫寬度驗算不致影響“強柱弱梁”的實現。

3.3 梁底筋的合理配置

在柱配筋不變的情況下，可通過“協調配筋方式”來弱化梁的實際受彎承載力，從而使柱 的受彎承載力間接加強。即，在柱兩端框架梁截面高度相等的條件下，可通過調整梁下部鋼筋的直徑，使盡量多的梁下部鋼筋在柱支座內拉通設置，在支座外搭接。通過協調配筋方式，避免了梁柱節點核心區內鋼筋過于密集，使縱筋與混凝土更好地錨固，以便于施工，有利于“強柱弱梁”的實現。

另外，根據彎矩配筋包絡圖，梁跨中下部截面的配筋，在滿足規范有關梁端上下鋼筋比值的條件下，可不全部伸入支座，也可減少“強梁弱柱”的發生。

3.4 合理控制梁筋的超配

應嚴格控制梁端實配鋼筋，對梁端負彎矩鋼筋不應超配(控制實配鋼筋不超過計算鋼筋面積，一般情況下，可取實配鋼筋面積為0.95～1.0倍的計算鋼筋面積);對梁端正彎矩鋼筋應控制超配比例(一般情況下，可控制超配系數在10%以內)。

3.5 限制梁、柱的線剛度比

限制框架柱與框架梁的線剛度比在一個較為合理的范圍內，可取1.5～2.0。有些地方標準已有相關的規定。

3.6 提高柱的配筋率、配箍率，降低柱的軸壓比限制

4 結論

影響實現“強柱弱梁”破壞機制的因素很多，也很復雜，有理論研究的滯后、設計計算的缺陷和抗震構造的不足等。設計人員應從工程結構的實際受力狀況出發，對各種可能影響“強柱弱梁”破壞機制的因素予以全面考慮，采用合理的結構分析方法和模型。在目前有些影響因素還不能精確考慮的情況下，加強概念設計，結合建筑圖對重點部位進行適度的加強，以充分保證“強柱弱梁”破壞機制的實現。

［1］GB 50011—2001建筑抗震設計規范(2008)［S］

［2］JGJ 3－2002高層建筑混凝土結構設計規程［S］

［3］唐九如.鋼筋混凝土框架節點抗震［M］.南京:東南大學出版社，1989

［4］蔣永生，陳忠范，周緒平，等.整澆梁板的框架節點抗震研究［J］.建筑結構學報，1994，12(3)

［5］GB 50010－2002混凝土結構設計規范［S］

［6］中國建筑標準設計研究所.03G101混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規則和構造詳圖(現澆混凝土框架、剪力墻、框架—剪力墻、框支剪力墻結構)［M］.北京:中國計劃出版社，2006