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1、实用标准文案 文档 如何理解“强柱弱梁”？ 1， “强柱弱梁”的本质 指梁柱节点处，柱端实际受弯承载力大于梁端实际受弯承载力。 2，为什么要保证“强柱弱梁”？ 因为框架结构的变形能力与其破坏机制有很大的关系。 研究表明：梁先屈服，即梁端先出现塑性铰，可使整个框架结构产生较大的内力重 分布，从而增强结构的耗能能力和极限层间位移，抗震性能较好。 若柱先屈服，则可能使整个结构变成几何可变体系，造成结构倒塌。 3，怎样保证“强柱弱梁”？ 一般采用增大柱端弯矩设计值的方法（框架抗震等级为一、二、三级时，柱端弯矩 增大系数分别取1.4 、1.2 、1.1 ） ，PKPM 程序自动考虑这一规定。 4，哪些因
2、素导致无法准确实现“强柱弱梁”？ 结构内力分析时考虑了楼板的约束作用（梁截面为T 形， PKPM 中以边梁和中梁 的刚度放大系数来考虑），但梁的承载力设计时仍以矩形截面来配筋，并没有考虑楼板的约 束作用，低估了梁的承载能力。 实际应该这样处理：按 T 形截面进行的内力分析，就应根据所得的承载力按T 形截 面进行配筋； 或者将按T形截面进行内力分析后所得的承载力除以梁刚度放大系数，然后按 矩形截面进行配筋。 梁端配筋采用的是柱中线处的内力，而实际上应该采用柱边的内力，而柱中线 处的内力比柱边的内力大约20% ，实际上增加了梁端的配筋。 由于设计习惯和钢筋需要归并等原因造成梁配筋的增大。 如何理解
3、“强剪弱弯”？ 1， “强剪弱弯”的本质 指梁、柱和剪力墙底部的斜截面实际受剪承载力大于实际受弯承载力。 2，为什么要保证“强剪弱弯”？ 因为弯曲破坏是延性破坏，有一定的征兆， 如裂缝、 挠度等； 而剪切破坏是脆性破坏， 没有任何预兆突然破坏。所以要保证构件在发生弯曲破坏前不产生剪切破坏。 3，怎样保证“强剪弱弯”？ 一般采用增大梁端、柱和剪力墙剪力增大系数的方法（框架抗震等级为一、二、三级 实用标准文案 文档 时，梁端剪力增大系数分别为1.3 、1.2 、1.1 ；柱剪力增大系数分别为1.4 、1.2 、1.1 ；剪 力墙抗震等级为一、二、三级时，剪力墙剪力增大系数分别为1.6 、1.4 、
4、1.2 ） 。PKPM 程序 自动考虑这一规定。 具体配筋时，可采取以下措施来尽量保证“强剪弱弯”： 1，增大箍筋直径，减小箍筋间距。 2，必要时，某些构件的箍筋可全长加密，如连梁、短柱等。 3，主次梁交接处，设置附加箍筋和弯起钢筋。 如何理解“强节点弱构件”？ 1， “强节点弱构件”的本质 指节点区域的实际承载力大于构件的实际承载力。 2，为什么要保证“强节点弱构件”？ 因为节点失效，与之相连的梁柱等构件全部失效，结构也坍塌失效。 3 ，如何保证“强节点弱构件”？ 一般通过构造措施来解决，如规定梁纵筋的锚固长度、锚固形式等，详见混凝土结 构设计规范 10.4 节梁柱节点。 梁的延性靠的是箍筋
5、，箍筋约束混凝土，可延长混凝土从受压到破坏的时间。地震时产 生的水平剪力主要靠箍筋来承担，这也是需要提高延性时采用箍筋加密的根本原因。 而梁的纵筋主要用来承担竖向荷载产生的弯矩。梁的底面和顶面纵筋的比值是用来提高 梁端的塑性转动能力，不是梁延性的主要控制因素。 “强梁弱柱”破坏分析 抗震设计中 , “强柱弱梁” 、 “强剪弱弯” 、 “强节点弱杆件”一直是各国抗震规范所 强调的 , 但汶川地震的实际情况不容乐观。实现“强柱弱梁”, 现行规范存在不足。叶列平 等 2 就“强柱弱梁” 未能实现的原因提出诸多观点, 认为出现这一破坏现象的原因有: 填充墙等非结构构件的影响; 楼板对框架梁的承载力和刚
6、度增大的影响; 框架梁跨度和荷载 过大 , 使梁截面尺寸增大, 梁端抗弯承载力增大; ! 梁端超配筋和钢筋实际强度超强; ? 柱轴压比限值规定偏高, 柱截面尺寸偏小; # 柱最小配筋率和最小配箍率偏小; ?大震下 结构受力状态与结构弹性受力状态存在差异; % 梁柱可靠度的差异。 实用标准文案 文档 现阶段而言 , 应主要考虑以下几个方面的因素。 1. 1 填充墙等非结构构件影响 填充墙作为框架结构的重要组成部分, 主要起围护作用, 而不作为受力构件存在。但其存在 不可避免地影响结构受力性能: 结构错层处、 楼梯、窗下等部位 , 填充墙使框架长柱变成短 柱, 发生剪切破坏; 同一楼层间填充墙位置
7、、数量的变化, 在水平方向改变结构的侧向刚度 分布 , 从而改变地震内力的分布; 不同楼层间填充墙位置、数量的变化, 在竖直方向改变层 间刚度分布 , 形成“薄弱层” , 最终导致 “层屈服机制” 的出现。 现行抗震规范 3 第 3. 7. 4 条规定 : 围护墙和隔墙应考虑对结构抗震的不利影响, 避免不合理设置而导致主体结构 的破坏 , 但未给出如何考虑填充墙对结构抗震不利影响的具体方法。工程计算中常采用考虑 非承重墙刚度对结构自振周期的折减系数T 来调整结构的自振周期, 从而影响地震力的 计算 , 这事实上是远远不够的。笔者通过有限元程序分析一典型框架结构( 结构尺寸及布置 如图 2, 底
8、层层高3. 9 m, 其余为 3. 3m, 共 10 层, 梁、板混凝土强度等级为C30 、柱为 C35)不同填充墙材料、不同空间布置时, 在 T aft 地震波、 El-Cent ro 地震波和广州人工 波作用下的结构地震反应, 认为 : ( 1) 填充墙材料性质造成其自身刚度的不同, 随填充墙自身刚度减小, 对框架抗侧刚度的 贡献减小 , 依次是标准砖、 空心砖、 加砌混凝土砌块, 但即使采用低强度砌块, 填充墙刚度对框架结构 的影响也不能完全忽略。 ( 2) 结构同一层随隔墙数量增加, 周期减小 , 结构刚度变大, 层间刚度突变越来越不明显, 当上下层 的隔墙布置仅有少量差异时, 结构周
9、期非常接近, 影响很小。 ( 3) 令楼层填充墙截面面积与其上相邻一层填充墙截面面积之比为w , 当某层w 45% 时, 应将该 层视为“薄弱层” 。为保证有足够的安全度, 实际设计过程中, 建议w 不低于 60% 。 实用标准文案 文档 ( 4) “薄弱层”在底层时, 对结构整体性能影响最大, 地震力作用下底层发生破坏的可能 性最大 ; “薄弱层”往顶层移动, 只在“薄弱层”位置处位移增大, 刚度突变 , 上下层刚度 比增加 , 但与其上相邻三层刚 度均值之比却在减小, 刚度比不满足规范要求; “薄弱层”在顶层时 , 对结构整体影响最小。 ( 5) “薄弱层” 填充墙的数量及其在楼层中的位置
10、是影响自振周期计算的两个主要原因; 随 “薄弱层”位置不同 , 填充墙对框架抗侧刚度的参与率不同, 随高度增加而有所减小, 建议 规范提出考虑填充墙影响的框架抗侧刚度计算模型。 1. 2 楼板对框架梁承载力及刚度的影响框架结构中, 楼板与梁共同浇注, 实际参与梁的 受力 , 一定程度上提高了框架梁的抗弯刚度和承载力。影响现浇楼板对框架梁增强作用程度 的主要因素有节点类型、横向梁刚度以及侧向位移值 4 。楼板内的钢筋会使框架梁的实 际抗弯承载力增大20% 30%, 甚至有些情况下会增大近1 倍 5 。但结构设计中仅考虑楼 板对框架梁抗弯刚度的提高, 将中梁和边梁的刚度按原框架梁矩形截面刚度乘2.
11、 0 或 1. 5 的增大系数。 此做法虽然增大了梁端弯矩, 但同时亦增大了梁的配筋, 且楼板钢筋的作用未 计入。因此 , 要真正实现“强柱弱梁”的设计目标, 必须考虑楼板有效翼缘宽度范围内, 梁 受到的增强作用, 并将其等效为T 形或者形梁进行设计计算。 1. 3 柱轴压比的影响 文献 3 规定 , 框架结构柱的轴压比限值在0. 7 0. 9 之间 , 随抗震等级提高而减小。 与日本规范相比, 我国规范的轴压比要大很多, 是其 23 倍。轴压比限值越高, 柱的截面 允许尺寸就越小。 这一做法虽然能够满足使用空间大、美观经济的要求, 但减小了安全储备, 同时降低了梁柱线刚度比, 使得“强柱弱梁
12、”机制难以实现。 2 抗震规范对“强柱弱梁”的考虑现行抗震规范对“强柱弱梁”的考虑主要通过调整梁端 柱端弯矩的比值来控制。由于地震的复杂性、楼板的影响、 钢筋屈服强度的超强, 难以通过 精确的计算真正实现“强柱弱梁”。 实用标准文案 文档 规范最新修订稿 6 即送审稿对上述条款作了适当调整, 提高了框架结构的柱端弯矩增大 系数 , 从原先的“一级取1. 4 、二级取 1. 2 、三级取1. 1 ”, 提高到“一级取1. 7 、二级 取 1. 5 、三级取1. 3; 其他结构类型中的框架, 一级取1. 4 、二级取1. 2 、三、四级取 1. 1” 。为了防止底层柱底过早出现塑性屈服, 对原先的
13、 “一、 二、三级框架结构的底层, 柱 下端截面组合的弯矩设计值, 应分别乘以增大系数1. 5 、1. 25和 1. 15 ”, 提高到“一、 二、三、四级框架结构的底层, 柱下端截面组合的弯矩设计值, 应分别乘以增大系数1. 7、 1. 5 、1. 3 和 1. 2 ” 。同时指出 , 要真正实现“强柱弱梁”, 除了按实际配筋计算外, 还应 计入梁两侧有效翼缘范围楼板钢筋的影响。所以送审稿虽在一定程度上加大了框架柱的配筋 量, 但能否真正实现“强柱弱梁”, 尚存在疑问。 送审稿 ( 文献 6 ) 同时修改了框架结构的抗震等级确定条件, 将文献 3 中以 30 m 为 界限区分不同设防烈度区域
14、的抗震等级, 改为以24 m 作为界限高度; 并将柱轴压比限值, 从原先的一级取0. 7 、二级取0. 8 、三级取0. 9, 降低为一级取0. 65 、二级取0. 75 、 三级取 0. 85 。这对 2430 m 高的框架结构来讲, 承载力得到较大提升, 同时 , 柱轴压比 限值的减小一定程度上提升了柱的承载力和刚度。 此外 , 送审稿从“强剪弱弯”角度出发, 提高了柱剪力增大系数: 由原先的一级取1. 4 、 二级取 1. 2 、三级取1. 1, 提高到一级取1. 5 、二级取1. 3 、三级取1. 2 。 “强柱弱梁” 破坏机制的实现受到众多实际因素的制约, 必须进一步研究填充墙等非结
15、构构件对梁柱刚 度的影响并体现到设计计算中去; 必须进一步研究现浇楼板对梁刚度和承载力的影响, 并 在实际设计中予以考虑; 还需要更为严格地限制柱的轴压比, 以提高柱的刚度至合理范围。 建筑抗震规范送审稿虽然提高了柱的弯矩增大系数和剪力增大系数, 同时降低了判别框架 结构抗震等级的界限高度, 使柱承载力得到提高。算例柱的抗弯承载力提升10. 8% 33. 1%, 抗剪承载力提升11. 1% 19. 3%, 但仍“只在一定程度上减缓柱端的屈服”。在柱承 载力提高的同时, 结构造价有所提高, 总造价增加19. 9% 左右。 保证强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的概念设计 为了保证强柱弱梁，强剪弱弯
16、， 强节点弱构件的抗震设计概念，设计中应满足如下要求： 实配柱纵筋和箍筋时，应考虑梁翼缘板的作用和梁裂缝宽度验算或超配而增加梁纵筋 的影响。 对于大跨度的框架结构，框架柱的线刚度须大于框架梁的线刚度的1.1 倍。 实用标准文案 文档 高层建筑结构柱的最小截面不应小于350400，且须满足梁钢筋的水平锚固的要求。 框架柱纵向钢筋的最小配筋率，应比建筑抗震设计规范规定的最小配筋率提高 0.2%，框架柱纵向钢筋直径宜16 。 对于底层空旷（如架空层、商场、骑楼等），二层以上框架之间有砌体的框架建筑，须 考虑二层以上砌体的侧面刚度，底层应布置适量的剪力墙或支撑，控制底层和二层的刚度比， 底层竖向构件地
17、震剪力应乘以1.15 的放大系数。 (6) 剪力墙竖向分布钢筋直径应10 ，剪力墙边缘构件（暗柱）钢筋直径应14 汶川地震震害表明，结构柱底或柱顶破坏严重，未能体现强柱弱梁、强剪弱弯的设计 概念， 由于梁翼缘板和梁裂缝宽度验算增加的梁纵筋的作用，低估了梁端的承载力，相对高 估了柱端承载力，因此在实配柱纵筋和箍筋时，应考虑这部分梁纵筋的影响： 柱增加的单向纵筋和箍筋可按以下简化计算确定： 实用标准文案 文档 为了减轻设计人员的工作量，可按以下方法配筋： （a）考虑梁翼缘板的影响时，柱纵筋单边增加3 （二级钢），柱箍筋增加量对于小截面 框架柱 （高度） ，在箍筋间距200 情况下，单边增加0.50
18、3 ( 即一级钢 ) ；对于框架柱截 面高度大于，柱箍筋可不增加。 （b）考虑梁裂缝宽度验算或超配影响时，柱纵筋单边增加50%Agb ，Agb 为验算裂缝宽度或 超配增加的梁面支座钢筋。柱箍筋应计算其增加量。一般情况下，由于有板的有利作用，无 须再增加梁支座钢筋的数量。 对于大跨度的框架结构，规定了柱截面的最小尺寸，由于梁跨度大，梁截面和梁跨中 底筋较大， 梁底筋全部伸入柱内，也形成了强梁。 因此框架柱的截面和配筋也应满足强柱弱 梁的设计概念。 对于 4-6.8m 跨度的高层框架剪力墙结构，按照规范的轴压比要求设置柱截面，截面尺 寸偏小，有些可达到350350 ，需控制最小的截面尺寸，且还须满
19、足梁的纵筋的水平锚 固要求； 柱纵向钢筋按规范最小配筋率配制钢筋时，柱钢筋直径偏小，很多工程采用14 钢筋 即可达到要求；设计时未考虑梁翼缘板对梁端承载力提高，不能满足强柱弱梁的设计概念， 因此规定柱最小的配筋率和直径的最小值。 实用标准文案 文档 对于底层空旷（二层以上框架之间有砌体）的建筑，底层结构柱在汶川地震震害非常 严重， 震害表明， 二层以上砌体对侧向刚度贡献还是很大的，这会造成底层和二层以上的刚 度比相差较大， 底层存在软弱层，设计时需考虑上、下层刚度的差异，最直接有效的办法即 在空旷底层设置剪力墙或支撑，且底部竖向构件地震剪力放大1.15 倍。 (6) 200mm厚剪力墙竖向分布钢筋直径用8 和暗柱钢筋直径用12 ，虽可满足规范的 最低限要求， 但整栋建筑均采用规范的最低限要求，是不合适的， 因此规定钢筋的最小直径。