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摘要：钢筋混凝土框架结构由于其身的侧向刚度较小，地震作用引的侧向位移较大，故合理的抗震措施成为框架结构抗震性能实现的有力保证。本文简要介绍了关于“强柱弱梁”的相关规范，并对“强柱弱梁”影响因素进行了探讨。
关键词：建筑结构设计， 强柱弱梁，影响因素 ， 计算参数
Abstract: the reinforced concrete frame structure because of its body the lateral stiffness of smaller, the role of lateral displacement of the lead of bigger, so reasonable seismic measures become frame structure, the seismic performance of the realization of the powerful guarantee. This paper briefly introduces about the "strong column weak beam" of the related standard, and the "strong column weak beam" influence factors were discussed.
Keywords: building structural design, strong column weak beam, influence factors, calculations
中图分类号：TU3文献标识码：A 文章编号：
1、相关规范参照
框架结构的“强柱弱梁”破坏机制，即梁铰屈服机制，是抗震设计所期望的框架失效机制。梁铰屈服机制可使整个框架具有较大的内力重分布和能量消耗能力，极限层间位移增大，抗震性能较好。GB50011－2001《建筑抗震设计规范》规定，对于考虑地震作用组合的一、二、三级框架柱，除框架顶层和柱轴压比小于0．15者及框支梁与框支柱的节点外，柱端组合的设计弯矩应满足下式要求:
一级框架结构及9度时，尚应符合:
式中∑MC———节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析分配;∑Mb———节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和，一級框架节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取0;
∑Mbua———节点左右梁端截面反时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值之和，根据实配钢筋面积(计入受压筋)和材料强度标准值确定;
ηC———柱端弯矩增大系数，一级取1．4，二级取1．2，三级取1．1。虽然《建筑抗震设计规范》对“强柱弱梁”的设计作了上述具体的规定，但经过众多学者对部分地震灾害相关报告分析显示，并没有出现框架结构出现梁铰机制，绝大部分现浇框架结构仍然出现了柱端严重破坏的“强梁弱柱”破坏现象，仅未设置现浇板的框架结构实现了“强柱弱梁”，即框架梁率先破坏，框架柱基本完好。为了保证框架结构具有满足工程要求的抗震性能，要充分实现框架结构的“强柱弱梁”屈服机制，文中进一步进行总结归纳及进行分析。
２、影响强柱弱梁的因素
2.1．柱轴压比的影响。现行规范轴压比限值偏高是导致框架结构抗地震倒塌能力不足的主要原因。在地震过程中，轴压比过高容易造成柱压溃破坏，适当控制轴压比对实现强柱弱梁机制是非常有益处的。
2.2．梁计算中楼板的影响。在结构设计中一般都是不考虑楼板参与整体计算，大部分情况下是直接将荷载倒算的梁上，而在计算水平荷载(地震与风荷载)的时候考虑楼板对梁刚度的提高作用，用一个中梁(边梁)刚度放大系数来考虑楼板的作用，但计算梁配筋的时候又只考虑矩形截面，这样一来形成了本来是T形梁承受荷载，钢筋计算却完全集中在矩形截面中。
2.3．填充墙对结构刚度的影响。在实际工程中很多围护结构是砌体墙，而地震作用下砌体墙与梁一起运动，无疑对梁有一个较大的加强作用。而柱子一般情况下额外承受砌体墙与梁共同作用产生的剪力，这对抗震规范“强梁弱柱”机制的实现是个很大的挑战。对墙体较多的框架结构，填充墙在建筑中大多分布不均匀，易造成框架结构刚度中心较大偏离计算模型中的刚度中心，结构计算时仅仅进行周期折减是不能完全考虑其对框架的真实影响。
2.4．裂缝计算加大了梁端的抗弯能力。不合理的裂缝计算加大了梁端配筋面积，导致梁端计算弯矩过大，梁端裂缝宽度计算值大于实际值，同时，加大梁端配筋，抗震调幅与梁端裂缝挠度计算的矛盾，对“强柱弱梁”机制实现增加了新的负担。
2.5．梁底配筋的不合理。现阶段梁配筋设计绝大部分都采用国家标准图03G101－1，设计施工不区分具体情况而盲目套用图集，造成梁端底面实际配筋大大超出强柱弱梁计算中对应于梁底弯矩设计值的配筋量，当跨中弯矩对底筋起绝对控制作用时，所有底筋均锚入柱中，使梁端抗弯矩能力大大增加，问题更严重。
2.6．梁柱刚度比过大而导致强柱弱梁机制难于实现。
2.6．1当梁柱刚度比超过一定值，在水平侧向力作用下，框架柱相对弯矩增幅会大于框架梁相对弯矩增幅(相对弯矩=M/Mu)，框架柱会先于框架梁达到抗弯承载力而出铰;
2.6．2当层间剪切变形达到一定程度后，即使框架柱端纵筋不屈服，柱端混凝土压应变也会达到极限压应变而发生破坏，导致柱端抗弯承载力降低。再加上P－δ效应，使结构无法再形成强柱弱梁屈服机制。这种情况通常出现在荷载较大，梁跨度较大。
３ 结构设计建议
1) 填充墙是影响“强梁弱柱 ”机制实现的重要因素, 未来的设计中, 以下面两种方式进行设计实施来考虑填充墙的影响: a. 框架结构中, 采用刚度贡献小的填充墙或填充墙连接形式, 设计时通过周期折减的方式来考虑填充墙对结构的刚度影响; b. 充分利用填充墙作为第一道抗震防线, 使框架结构形成双重抗震防线,可显著提高框架结构抗震承载能力及其抗地震倒塌能力。填充墙自身应具有一定承载力和变形能力。目前规范及现有计算手段尚无法将填充墙对结构刚度的影响进行量化分析, 可通过等刚度代换的原则, 用较薄的混凝土墙来近似模拟对结构刚度的影响, 这对填充墙较多的建筑具有一定的设计参考意义。
2) 正确考虑楼板对梁的刚度和承载力贡献是保证结构分析和设计正确的前提。楼板与框架梁一起现浇, 两者可以结合良好, 共同工作能力好, 可显著提高框架梁的能力。在考虑楼板影响时, 有两种设计思路: a. 计算梁截面抗弯承载力时不考虑楼板翼缘, 代之以提高柱梁强度比, 间接考虑楼板的贡献; b. 维持现行规定的柱梁强度比数值, 把楼板考虑进来, 计算后满足框架的强度比就可以了,这需要现行的计算软件进行这方面计算分析配合。
3) 导致梁端钢筋超配的因素。a. 楼板中配筋未考虑。b. 结构内力分析计算简图按构件轴线考虑。c. 框架梁配筋由裂缝或变形条件控制等等。解决这些的办法是用实配验算。在复核梁设计结果时, 不仅应复核正常使用极限状态和承载力极限状态设计, 还应根据上述解决方法的建议, 确认柱端设计不能弱。应控制梁端实配筋与计算配筋的比例。《抗规》 6. 2. 2 条文说明指出, 当梁端实配钢筋不超过计算配筋10%的前提下, 满足规范不等式转化的内力设计值的关系式可在一定程度上减缓柱端的屈服。
4) 建议规范应给出更合理和有依据的调整系数。强柱弱梁是在大震作用下形成的,另一种较为简便的强柱弱梁设计的计算方法是: 框架梁内力按小震计算确定, 框架柱内力按大震弹性计算确定。
5) 框架柱轴压比是影响框架结构“强柱弱梁 ”机制的重要因素之一, 降低框架柱轴压比可使得框架结构的安全储备增加, 结构倒塌概率显著降低。
6) 在高设防烈度的地区应避免出现梁柱刚度比过大的情况。
４、结语
在实际工程中，影响强柱弱梁的因素很多，如何抓问题的关键，在设计中真正实现“强柱弱梁”，应需综合考虑各种因素以及合理的计算及设计方法。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：建筑结构设计， 强柱弱梁，影响因素 ， 计算参数
Abstract: the reinforced concrete frame structure because of its body the lateral stiffness of smaller, the role of lateral displacement of the lead of bigger, so reasonable seismic measures become frame structure, the seismic performance of the realization of the powerful guarantee. This paper briefly introduces about the "strong column weak beam" of the related standard, and the "strong column weak beam" influence factors were discussed.
Keywords: building structural design, strong column weak beam, influence factors, calculations
中图分类号：TU3文献标识码：A 文章编号：
1、相关规范参照
框架结构的“强柱弱梁”破坏机制，即梁铰屈服机制，是抗震设计所期望的框架失效机制。梁铰屈服机制可使整个框架具有较大的内力重分布和能量消耗能力，极限层间位移增大，抗震性能较好。GB50011－2001《建筑抗震设计规范》规定，对于考虑地震作用组合的一、二、三级框架柱，除框架顶层和柱轴压比小于0．15者及框支梁与框支柱的节点外，柱端组合的设计弯矩应满足下式要求:
一级框架结构及9度时，尚应符合:
式中∑MC———节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析分配;∑Mb———节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和，一級框架节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取0;
∑Mbua———节点左右梁端截面反时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值之和，根据实配钢筋面积(计入受压筋)和材料强度标准值确定;
ηC———柱端弯矩增大系数，一级取1．4，二级取1．2，三级取1．1。虽然《建筑抗震设计规范》对“强柱弱梁”的设计作了上述具体的规定，但经过众多学者对部分地震灾害相关报告分析显示，并没有出现框架结构出现梁铰机制，绝大部分现浇框架结构仍然出现了柱端严重破坏的“强梁弱柱”破坏现象，仅未设置现浇板的框架结构实现了“强柱弱梁”，即框架梁率先破坏，框架柱基本完好。为了保证框架结构具有满足工程要求的抗震性能，要充分实现框架结构的“强柱弱梁”屈服机制，文中进一步进行总结归纳及进行分析。
２、影响强柱弱梁的因素
2.1．柱轴压比的影响。现行规范轴压比限值偏高是导致框架结构抗地震倒塌能力不足的主要原因。在地震过程中，轴压比过高容易造成柱压溃破坏，适当控制轴压比对实现强柱弱梁机制是非常有益处的。
2.2．梁计算中楼板的影响。在结构设计中一般都是不考虑楼板参与整体计算，大部分情况下是直接将荷载倒算的梁上，而在计算水平荷载(地震与风荷载)的时候考虑楼板对梁刚度的提高作用，用一个中梁(边梁)刚度放大系数来考虑楼板的作用，但计算梁配筋的时候又只考虑矩形截面，这样一来形成了本来是T形梁承受荷载，钢筋计算却完全集中在矩形截面中。
2.3．填充墙对结构刚度的影响。在实际工程中很多围护结构是砌体墙，而地震作用下砌体墙与梁一起运动，无疑对梁有一个较大的加强作用。而柱子一般情况下额外承受砌体墙与梁共同作用产生的剪力，这对抗震规范“强梁弱柱”机制的实现是个很大的挑战。对墙体较多的框架结构，填充墙在建筑中大多分布不均匀，易造成框架结构刚度中心较大偏离计算模型中的刚度中心，结构计算时仅仅进行周期折减是不能完全考虑其对框架的真实影响。
2.4．裂缝计算加大了梁端的抗弯能力。不合理的裂缝计算加大了梁端配筋面积，导致梁端计算弯矩过大，梁端裂缝宽度计算值大于实际值，同时，加大梁端配筋，抗震调幅与梁端裂缝挠度计算的矛盾，对“强柱弱梁”机制实现增加了新的负担。
2.5．梁底配筋的不合理。现阶段梁配筋设计绝大部分都采用国家标准图03G101－1，设计施工不区分具体情况而盲目套用图集，造成梁端底面实际配筋大大超出强柱弱梁计算中对应于梁底弯矩设计值的配筋量，当跨中弯矩对底筋起绝对控制作用时，所有底筋均锚入柱中，使梁端抗弯矩能力大大增加，问题更严重。
2.6．梁柱刚度比过大而导致强柱弱梁机制难于实现。
2.6．1当梁柱刚度比超过一定值，在水平侧向力作用下，框架柱相对弯矩增幅会大于框架梁相对弯矩增幅(相对弯矩=M/Mu)，框架柱会先于框架梁达到抗弯承载力而出铰;
2.6．2当层间剪切变形达到一定程度后，即使框架柱端纵筋不屈服，柱端混凝土压应变也会达到极限压应变而发生破坏，导致柱端抗弯承载力降低。再加上P－δ效应，使结构无法再形成强柱弱梁屈服机制。这种情况通常出现在荷载较大，梁跨度较大。
３ 结构设计建议
1) 填充墙是影响“强梁弱柱 ”机制实现的重要因素, 未来的设计中, 以下面两种方式进行设计实施来考虑填充墙的影响: a. 框架结构中, 采用刚度贡献小的填充墙或填充墙连接形式, 设计时通过周期折减的方式来考虑填充墙对结构的刚度影响; b. 充分利用填充墙作为第一道抗震防线, 使框架结构形成双重抗震防线,可显著提高框架结构抗震承载能力及其抗地震倒塌能力。填充墙自身应具有一定承载力和变形能力。目前规范及现有计算手段尚无法将填充墙对结构刚度的影响进行量化分析, 可通过等刚度代换的原则, 用较薄的混凝土墙来近似模拟对结构刚度的影响, 这对填充墙较多的建筑具有一定的设计参考意义。
2) 正确考虑楼板对梁的刚度和承载力贡献是保证结构分析和设计正确的前提。楼板与框架梁一起现浇, 两者可以结合良好, 共同工作能力好, 可显著提高框架梁的能力。在考虑楼板影响时, 有两种设计思路: a. 计算梁截面抗弯承载力时不考虑楼板翼缘, 代之以提高柱梁强度比, 间接考虑楼板的贡献; b. 维持现行规定的柱梁强度比数值, 把楼板考虑进来, 计算后满足框架的强度比就可以了,这需要现行的计算软件进行这方面计算分析配合。
3) 导致梁端钢筋超配的因素。a. 楼板中配筋未考虑。b. 结构内力分析计算简图按构件轴线考虑。c. 框架梁配筋由裂缝或变形条件控制等等。解决这些的办法是用实配验算。在复核梁设计结果时, 不仅应复核正常使用极限状态和承载力极限状态设计, 还应根据上述解决方法的建议, 确认柱端设计不能弱。应控制梁端实配筋与计算配筋的比例。《抗规》 6. 2. 2 条文说明指出, 当梁端实配钢筋不超过计算配筋10%的前提下, 满足规范不等式转化的内力设计值的关系式可在一定程度上减缓柱端的屈服。
4) 建议规范应给出更合理和有依据的调整系数。强柱弱梁是在大震作用下形成的,另一种较为简便的强柱弱梁设计的计算方法是: 框架梁内力按小震计算确定, 框架柱内力按大震弹性计算确定。
5) 框架柱轴压比是影响框架结构“强柱弱梁 ”机制的重要因素之一, 降低框架柱轴压比可使得框架结构的安全储备增加, 结构倒塌概率显著降低。
6) 在高设防烈度的地区应避免出现梁柱刚度比过大的情况。
４、结语
在实际工程中，影响强柱弱梁的因素很多，如何抓问题的关键，在设计中真正实现“强柱弱梁”，应需综合考虑各种因素以及合理的计算及设计方法。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。