框架結構強柱弱梁的影響因素及設計要點

崔艷東

摘 要：鋼筋混凝土框架結構，是當前建筑業中最主要的結構形式，被廣泛應用于工業與民用建筑中。但是它自身的側向剛度較小，而地震作用引起的側向位移較大，為了保證框架結構在遭遇地震作用時不發生倒塌，我們對鋼筋混凝土框架結構必須采取一定的抗震措施，以保證人民的人身和財產的安全。“強柱弱梁”是抗震結構設計中的必要措施，所謂的強柱弱梁是指節點處柱端實際受彎承載力大于梁端受彎承載力。一方面，它的底層柱上下端出現塑性鉸，能夠迅速導致結構倒塌，另一方面，它只有在全部梁端出現塑性鉸并迫使結構底部也出現屈服變形時，結構才會破壞。

關鍵詞：影響因素；注意事項；強柱弱梁；框架結構

1 影響實現強柱弱梁的因素

1.1 框架柱軸壓比限值的影響

在現行《建筑抗震設計規范》中規定的軸壓比限值，主要是為了保證柱的塑性變形能力和保證框架的抗倒塌能力。抗震破壞最終希望框架柱以大偏心受壓破壞，柱的軸壓比直接影響柱截面設計，因為在軸力設計值不變的情況下，柱子軸壓比限值偏大就會使得柱子的截面就要變小，框架柱剛度偏小，柱體的抗彎能力和抗剪能力都會有所下降，其柱體的變形量增大，極易造成柱體的失穩，當遭遇罕遇地震時，柱軸力會進一步增大，甚至可能超過界限軸力而成為小偏壓受力，導致框架在地震作用下就容易破壞產生柱鉸型破壞機制，因此，適當控制軸壓比對實現“強柱弱梁”機制是非常有必要的。

1.2 填充墻對結構剛度的影響

實際建筑物的自振周期短于自振周期，尤其是有實心磚填充墻的框架結構，在強柱弱梁的所有影響因素中，填充墻是影響最大的一個因素，填充墻和框架梁是相互依存的關系，對結構會產生如下一些影響，因此我們必須要明確填充墻的結構功能及其相應的設計目標。實際工程中，圍護墻和填充墻通常直接在框架梁上砌筑，而地震作用下砌體墻與梁一起運動，無疑對梁有一個較大的加強作用，它不僅能直接參與整體結構的抗震受力，顯著增大框架梁的剛度和抗彎承載力，而且還能增加結構層剛度，造成結構層剛度不均勻，減小框架梁彎曲變形，形成層屈服機制，引起扭轉效應。填充墻的結構功能目標分為：1）參與結構受力，這時它就是抗震的第一道防線，在整體結構的抗震分析和設計中就要給予足夠的考慮；2）不參與結構受力，這時它就得跟周邊的框架有足夠的隔開、分開，這種設計能夠對結構扭轉效應有很好的控制，從而避免使框架柱形成短柱而發生的脆性剪切破壞。

1.3 柱梁的剛度比的影響

在彈性階段，梁和柱的截面在地震作用下可能同時屈服，當梁柱剛度比超過一定值，在水平側向力作用下，框架柱相對彎矩增幅會大于框架梁相對彎矩增幅，當進入彈塑性階段以后，框架柱就會先于框架梁達到抗彎承載力，結構無法再形成“強柱弱梁”屈服機制，這時，就會發生在柱端先破壞而出鉸；在進行建筑結構的抗震設計時柱梁的剛度比也應該做為一個重要的考慮因素。

1.4 現澆樓板對框架梁的承載力及剛度的影晌

樓板對“強柱弱梁”的影響在國外是考慮一定的超強系數，研究表明，樓板內的鋼筋能夠使框架梁的實際抗彎承載力增大20～30%。在結構設計中樓板參與結構的抗側力剛度分配，它能夠加強梁的抗彎剛度，當結構的局部破壞時樓板會起到一定的拉結作用。在現澆混凝土框架結構中，樓板一般與梁柱現澆，形成一個相互連接的空間整體，這樣能夠提高框架梁的抗彎承載力以及抗彎剛度。一般情況下，當梁端承受正彎矩時，樓板和框架梁共同組成T型截面，這樣就增加了框架梁的受壓區寬度，進而增加梁端抗彎承載力和抗彎剛度，而當梁端承受負彎矩時，樓板內配筋相當于增加了框架梁的負彎矩筋，也會顯著增強框架梁的抗負彎矩承載力。但是在樓板中配筋，必須要考慮樓板內與梁肋平行的鋼筋。故在現行《高層建筑混凝土結構技術規程》中，樓面梁的剛度增大系數可根據翼緣的情況取1.3～2.0。

2 “強梁弱柱”震害現象的主要原因

2.1 柱軸壓比限值偏大

當遭遇較大地震時，柱軸力會進一步增大，已基本接近界限軸力的幾層底部框架柱軸壓力可能超過界限軸力而成為小偏壓受力，導致柱抗彎承載力的降低，這不利于強柱弱梁的破壞機制，所以設計時，應給軸壓比限值留有足夠的余地，控制軸壓比限值不要過高。

2.2 框架梁跨度和荷載過大

梁的截面尺寸和梁的跨度和荷載是有一定的聯系的，當框架梁跨度和荷載過大時，梁截面尺寸就增大，使框架結構的剛度比形成強梁弱柱，梁端抗彎承載力也就會增大，因此在結構布置時要注意梁的跨度以及梁、柱截面的選擇，應使柱的線剛度與梁的線剛度比值大于1，以達到在罕遇地震作用下，梁端形成塑性鉸時，柱端處于非彈性工作狀態而沒有曲服，節點仍處于彈性工作狀態的目的。

2.3 梁端計算彎矩與計算截面不對應

一般框架梁計算跨度是指兩柱中心線間的距離。在結構計算中，按彈性方法驗算梁端截面裂縫寬度時，如果存在計算彎矩與計算截面不對應的情況，就會導致梁端計算彎矩的取值過大，進而使得“強柱弱梁”的延性屈服機制難以實現。

2.4 梁端截面底部鋼筋配置不合理

由于設計習慣和鋼筋歸并等原因，造成梁配筋的增大，要控制在合理和可以接受的范圍內，并確認其不會超過柱端內力調整系數從而造成強梁弱柱。如果將梁底部鋼筋全部伸入支座內，就會使得梁端截面底部實際配筋大大超出“強柱弱梁”計算中對應于梁底彎矩設計值的配筋量。

3 結構設計建議

在進行“強柱弱梁”設計時，對于不同抗震等級，柱端設計彎矩均應按梁端截面實配鋼筋的抗震受彎承載力進行調整放大，這樣，梁端截面的實際受彎承載力就不會比計算受彎承載力高出好多。應適當考慮現澆樓板中的板鋼筋對框架梁端部截面實際抗震受彎承載力的影響。嚴格控制梁端截面實配鋼筋量，對于支座負筋不應超出計算值，甚至可根據經驗作適當減少。在進行梁端截面配筋及裂縫驗算時，應考慮塑性內力重分布，同時采用柱邊緣處的梁端彎矩設計值，確保構件的裂縫寬度驗算不致給“強柱弱梁”驗算增加新的負擔。對于不能完全實現“強柱弱梁”的結構，應考慮實際情況分別用總體失效準則和局部失效準則，對產生梁柱混合鉸屈服機制的結構的抗震性能進行綜合評價。

4 結語

正確考慮樓板對梁的剛度和承載力的貢獻是保證結構分析和結構正確設計的前提，“強柱弱梁”不僅能夠避免結構形成同層所有柱端均出現塑性層側移，還能夠使框架結構在強震下形成具有較好抗震性，是實現梁鉸機制的重要結構措施，是鋼筋混凝土框架結構中的一項關鍵控制措施。

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