鋼筋混凝土框架結構合理破壞模式研究★

劉欣冉 聶小雪

(武漢工程大學，湖北 武漢 430205)

框架結構在地震作用下產生大量發育完全且集中的塑性鉸是結構局部性能退化，破壞集中并最終導致結構發生整體破壞的最直接的原因[1]，因此在進行結構合理破壞模式分析的過程中應重視塑性鉸的發育對結構破壞的影響。從安全性能方面考慮，梁鉸機制是一種理想的破壞機制，為此我國規范通過內力調節提高了柱的相對抗彎剛度，但因多種因素的影響，梁鉸機制的實現還需更加全面的措施來保證。

在促進梁鉸機制實現的措施中，主要包括內力調整和抗震構造措施[2]。一是通過內力調整，改變結構構件的強度、剛度比值，使結構破壞時塑性鉸更易出現在梁端[3]。二是通過結合抗震構造措施，對結構易出現塑性鉸的位置進行人為構造加強[4]，以此保證結構在出現塑性鉸時仍然具有較大的承載力[5]。對于內力調整，我國規范的做法是，在彈性狀態下分析結構的內力，然后在得出的柱端內力的基礎上乘以一個柱端彎矩增大系數，以增大柱端彎矩設計值，用這種方式實現配筋設計時柱配筋的增大，保證柱端實際抗彎能力大于梁端實際抗彎能力[6]。

本文以框架結構在地震作用下的破壞模式為研究對象，分析現行規范中框架結構實現“強柱弱梁”的保證措施。由現行規范中內力調整措施對框架結構進行強柱弱梁設計，分析框架抗震性能情況，以此判斷規范提出的內力調整措施的精確性，并通過設置不同柱端彎矩增大系數的對比試驗，得出建議的柱端彎矩增大系數。并分析在對梁柱線剛度比進行合理控制時，是否會對柱端彎矩增大系數的作用效果產生影響。期望能對現有框架結構設計方法提出進一步的建議，得到更加合理的框架結構的破壞模式。

1 基于內力調整方法的框架結構的抗震性能分析

本文的分析模型為一個平面框架結構，結構類型為丙類。框架結構所處地區設防烈度為7度0.15g，場地類型為Ⅱ類，設計地震分組為第一組。結構首層高4 m，2層～6層高3.3 m，共6層，中跨跨度2.4，邊跨跨度為7 m，樓板采用鋼筋混凝土現澆樓板，板厚取0.15 m。結構平面圖如圖1所示。運用結構設計與分析軟件SAP2000，給予先行規范的內力調整措施，對框架結構進行設計分析。

樓面恒載與活載取值如表1所示。

表1 荷載信息表 kN/m2

本文設計的框架結構采用的混凝土強度等級為C30,C40的混凝土。框架梁、柱縱筋、箍筋采用HRB400級鋼筋。構件截面尺寸如表2所示。

表2 構件截面尺寸

由塑性鉸的分布分析得出，經現行規范內力調整方法所得出的框架結構的破壞機制為梁柱混合鉸機制，除底層柱底塑性鉸外，柱端塑性鉸大多出現在位移較大的樓層。中柱柱端出鉸的現象較為嚴重，而邊柱則較少出鉸。經內力調整之后框架結構雖然在柱端仍有塑性鉸出現，但沒有出現塑性鉸集中在某一薄弱層而形成倒塌機制的現象。

根據塑性鉸的分析，經我國現行規范給出的內力調整措施，框架結構在大震作用下仍有塑性鉸出現，但沒有出現塑性鉸集中在某一薄弱層而形成倒塌機制的現象。

根據現行規范對柱端彎矩增大系數取值的規定，塑性鉸大量出現在柱端，尤其是中柱，強柱弱梁的破壞模式并沒有實現，而是出現了梁柱混合鉸機制。中跨短柱的剛度較大，導致梁柱的線剛度較大，中柱出鉸嚴重。因此，由規范提出的柱端彎矩增大系數的取值并不能使結構呈現良好的破壞模式。

2 基于安全性能考慮的柱端彎矩增大系數的建議取值

對上述模型，按照6度(0.05g)，7度(0.1g)，7度(0.15g)，8度(0.2g)，8度(0.3g)，9度(0.4g)六種不同的抗震設防烈度，計算截面及材料強度等，對框架結構進行小震作用下的設計。采用逐漸遞增的柱端彎矩增大系數對同一烈度下的框架賦予不同的柱端彎矩增大系數，通過運用SAP2000對框架結構進行分析，得出合適的柱端彎矩增大系數，以有效保證框架結構強柱弱梁破壞模式的實現。

在SAP2000中調整框架模型的構件截面尺寸及混凝土的強度等級，以滿足不同框架在不同設防烈度下的小震作用下的承載力和位移要求。將六個不同設防烈度下的框架結構分別編號為KJ1，KJ2，KJ3，KJ4，KJ5，KJ6，如表3所示。

表3 最大軸壓比、最大層間位移與基本周期

對規范中給定的不同設防烈度下的柱端彎矩增大系數的取值，以0.1的頻率增加，對框架結構進行分析，依據所得結果中塑性鉸的分布情況，試算到結構出現良好的強柱弱梁效果為止，以找出使結構呈現“強柱弱梁”破壞的柱端彎矩增大系數。

通過SAP2000分析可得框架結構梁柱端的塑性鉸出現情況。梁柱端的塑性鉸發生率是評判結構是否實現強柱弱梁破壞模式的基本標準。表4為框架結構在不同的柱端彎矩增大系數下的梁柱端塑性鉸出鉸率，可反映柱端彎矩增大系數對強柱弱梁破壞模式的影響。

表4 KJ1在不同柱端彎矩增大系數下的梁柱端出鉸率

通過對本文不同設防烈度下框架結構在不同地震工況下的非線性分析，在未考慮梁柱線剛度比時，已知柱端彎矩增大系數調整后，柱端出鉸率明顯下降。在未進行梁柱線剛度比調整的情況下，我國規范給出的柱端彎矩增大系數建議進一步增大。表5為在不同設防烈度下的柱端彎矩增大系數的建議取值。

表5 不同設防烈度下柱端彎矩增大系數建議取值

3 結語

本文通過建立鋼筋混凝土框架結構模型，分析柱端彎矩增大系數對框架結構破壞模式的影響得出以下結論：

1)在對規范中框架結構柱端彎矩增大系數下的框架結構進行分析，發現柱端出鉸率較高，在強震作用下，柱鉸可能會集中在某一層，導致框架結構發生整體性倒塌。因此，從安全性能方面考慮，建議增大現行規范中的柱端彎矩增大系數。

2)通過對比每個設防烈度下，柱端彎矩增大系數不同取值，分析框架結構的破壞模式，得到從安全性能方面考慮時更合理的柱端彎矩增大系數。6度設防下的一級框架，按照規范給定的增大系數可滿足強柱弱梁。9度設防下的一級框架，柱端彎矩按照規范要求的1.2∑Mbua取值可滿足要求。其余設防烈度下的框架結構的柱端彎矩增大系數均需經一定程度的增大，才能實現良好的梁鉸機制。