對抗震規范中“強柱弱梁”的理解分析與運用

陳娟 符媛媛 楊蕓

(武漢科技大學城市學院，湖北武漢 430083)

為實現“強柱弱梁”，現行GB 50011-2010建筑抗震設計規范(以下簡稱規范)有如下處理方式。

1 增大節點處柱端彎矩設計值

1.1 規范條文的分析

規范規定見6.2.2 條［1］。

本文不涉及變形能力較大、可不滿足上述規定的柱子，如軸壓比小于0.15(含頂層柱)時。

地震作用效應的一個特點:強震時柱、梁端實際可能達到的最大彎矩即為各自的受彎承載力。故“強柱弱梁”時節點處梁端、柱端實際受彎承載力之間滿足式(1):

規范將此不等式轉為地震組合內力設計值的關系式，但前提是梁端實配鋼筋不超過計算配筋10%。采用在一定程度上推遲柱端塑性鉸的出現，即增大柱端彎矩設計值的概念設計。規范提高了考慮了一定的超配鋼筋(包括樓板的配筋)和鋼筋超強的彎矩增大系數ηc，利于上述概念設計的實現。

規范對一級框架及其9度時，用增大系數法，并提出了(應考慮左、右梁端縱向受拉鋼筋可能超配等因素所形成的屈服抗彎能力偏大的不利情況)采用調整、驗算梁端實配鋼筋面積和材料強度標準值計算的抗震受彎承載力所對應的彎矩值，取兩者的較大值;即使按增大系數的方法比實配方法保守，明確可只按后者確定柱端彎矩設計值。

框架梁相對較弱的柱反彎點不在樓層內的情況，為防壓屈失穩，柱端彎矩也應乘ηc。

在總結汶川震害經驗的基礎上，對柱抗彎能力增強措施作相應加強。除前述，本次修訂還有如下改變:

1)二、三級框架結構僅提高了柱端彎矩增大系數，未要求采用實配反算，柱端彎矩設計值實際也可由式(6.2.2-2)確定，但系數可適當降低;如此可能比按式(6.2.2-1)調整的方法更合理。比如當框架梁是按最小配筋率的構造要求配筋時，為避免出現因梁的實際受彎承載力與彎矩設計值相差太多(即實際配筋數量比計算需要超出較多)而無法實現“強柱弱梁”的情況，宜采用實配反算的方法確定。

2)增加了計算梁端實配抗震受彎承載力時，當樓板與梁整體現澆時，還應計入梁兩側有效翼緣寬度范圍內平行框架梁方向的板內實配縱筋，因為，板筋對梁受彎承載力有相當影響。梁端真正出現塑性鉸時的實際抗震受彎承載力可按式(2)計算:

其中，fyk為縱向鋼筋的抗拉強度標準值;為梁縱向鋼筋實際配筋面積［2］。有效翼緣寬度可取梁兩側各6倍板厚。這是美國(ACI318-08［3］規范)根據進入接近罕遇地震水準側向變形狀態的縮尺框架結構試驗中對參與抵抗梁端負彎矩的板筋應力的實測結果確定的。歐洲規范EN1998［4］則建議取每側2倍板厚，這大致相當于梁端屈服后不久的受力狀態。故規范的取法是偏于安全的［5］。

1.2 規范條文的運用

柱端組合的彎矩設計值調整后，如何分配給節點處上柱的柱底和下柱柱頂。

1)理論方法:

其余符號說明見相應的規范條文。

2)實踐中的簡便方法。

對于非一級的框架結構及其9度的情況，可采用如下簡便方法:

因為一般情況節點彎矩平衡，即:

由規范(6.2.2-1)，則:

2 增大底層的柱底彎矩

嵌固端截面(不按6.2.2條的規定，而是直接)乘以6.2.3條［1］的彎矩增大系數(修訂中系數予以了提高)，加強了底層柱底的實際受彎承載力，避免框架結構柱底過早屈服。對其他結構中的框架，其主要抗側力構件為抗震墻，對其框架部分的嵌固端截面，可不作要求。

當僅用插筋滿足柱嵌固端截面彎矩增大的要求時，可能造成塑性鉸向底層柱的上部轉移，對抗震不利。規范提出底層柱縱向鋼筋應按柱上下端不利情況配置。

3 增大角柱的彎矩和剪力設計值

以往震害中角柱震害相對較重，其內力設計值經過6.2.2或6.2.3 條提高的基礎上再按6.2.6 條［1］進行提高，以提高抗震能力。

本次修訂，上述1，2，3中均補充了對四級框架的要求。

4 其他措施

1)框架抗震設計的關鍵是保證柱的抗地震倒塌能力。第一、二階段設計都要通過抗震構造措施達到“大震不倒”的設防要求，對于可只做第一階段設計的大多數結構還需借助概念設計。規范有如下相應抗震構造措施:

a.對于梁截面尺寸，6.3.1條是從提高梁變形能力的要求等來處理的;

b.梁端塑性轉動量決定梁變形能力，截面混凝土相對受壓區高度是此轉動量的影響因素，故6.3.3條對梁端相對受壓區高度及其底、頂面縱筋的比值作了規定;

c.根據震害經驗，6.3.5條增大了一、二、三級且層數超過2層的房屋柱截面最小尺寸的要求，以利“強柱弱梁”的實現;

d.框架柱的彈塑性變形能力，主要與柱的軸壓比及箍筋對混凝土的約束程度有關。為此，6.3.6條限制了軸壓比，減小了其限值;6.3.9條對柱箍筋的配置作了詳盡的要求。

2)應當特別提出的是，注意概念設計的重要性。概念設計對從根本上消除抗震薄弱環節、構造良好抗震性能具有決定作用。為保證實現強柱弱梁的設計，必須設計合理的結構方案，如:

a.上下層剛度突變的結構，不可能避免軟弱層;

b.有時雖然滿足規范(6.2.2-1，2)式，但因上下柱的線剛度相差很大而使某柱端彎矩較大導致可能先出鉸，故要注意豎向抗側力構件的側向剛度沿豎向宜均勻變化、宜自下而上逐漸減小其截面尺寸和材料強度;

c.當梁斷面過大、配筋較多時(如框梁跨度較大或窗裙梁)，應把柱子斷面加大。

3)強柱弱梁的設計理念應貫徹在整個抗震設計始終，如:

a.柱中可增加些縱筋來加大柱安全度，但是增大梁中縱筋可能不利;

b.在板的結構布置中，可以考慮使板在主框梁上的支承是(單向板的)非受力邊、符合條件的板盡量按塑性理論設計，節省鋼筋是一方面，關鍵是可以在保障安全的前提下，最大限度地弱化板與梁之間的整體連接與作用;

c.在梁的剛度滿足要求的情況下，梁截面形狀采用扁、寬形易于強柱弱梁的實現。

4)其實也可考慮改變設計觀念。因為從汶川震害來看，只有不帶現澆板的純框架真正實現了“強柱弱梁”;只要有現澆板，框架一般表現的都是柱端先于梁端屈服。究其原因，現澆板的“貢獻功不可沒”。在內力計算時，由于現澆板的存在，梁的截面慣性矩做了相應的放大。梁剛度大了，分配到的內力也就大了，計算的配筋自然增多。建議處理成梁的截面慣性矩不予放大參加內力計算，“以絕后患”。因為由于往復地震，梁、板間很快開裂，這種截面慣性矩放大的源頭也就不存在了，梁端截面配筋設計時按矩形截面設計正是考慮到了這一點。

5 結語

合理的鋼筋混凝土框架破壞機制應是強柱弱梁型，不光可以依據規范通過增大柱端彎矩、增大底層的柱底彎矩、增大角柱的彎矩和剪力設計值和抗震構造措施等予以實現(對規范條文的操作方法也要注意采取簡便的方式處理)，還可以考慮結構方案、改變內力設計理念等其他的措施以保證實現強柱弱梁的延性框架設計。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［2］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［3］Building Code Requirements For Structural Concrete(ACI 318-08)And Commentary(ACI 318R-08)［S］.ACI Committee 318，2008.

［4］王麗卿，何鳳璟.梁與柱的相互作用和分析［J］.山西建筑，2012，38(13):59-60.

［5］CEN.BS EN 1998-1:2004，Eurocode 8:Design of structures for earthquake resistance2 Part 1:General rules，seismic actions and rules for buildings［S］.London:British Standards Institution，2005.

［6］GB 50010-2010，混凝土結構設計規范［S］.