对抗震规范中“强柱弱梁”的理解分析与运用

陈娟 符媛媛 杨芸

(武汉科技大学城市学院，湖北武汉 430083)

为实现“强柱弱梁”，现行GB 50011-2010建筑抗震设计规范(以下简称规范)有如下处理方式。

1 增大节点处柱端弯矩设计值

1.1 规范条文的分析

规范规定见6.2.2 条［1］。

本文不涉及变形能力较大、可不满足上述规定的柱子，如轴压比小于0.15(含顶层柱)时。

地震作用效应的一个特点:强震时柱、梁端实际可能达到的最大弯矩即为各自的受弯承载力。故“强柱弱梁”时节点处梁端、柱端实际受弯承载力之间满足式(1):

规范将此不等式转为地震组合内力设计值的关系式，但前提是梁端实配钢筋不超过计算配筋10%。采用在一定程度上推迟柱端塑性铰的出现，即增大柱端弯矩设计值的概念设计。规范提高了考虑了一定的超配钢筋(包括楼板的配筋)和钢筋超强的弯矩增大系数ηc，利于上述概念设计的实现。

规范对一级框架及其9度时，用增大系数法，并提出了(应考虑左、右梁端纵向受拉钢筋可能超配等因素所形成的屈服抗弯能力偏大的不利情况)采用调整、验算梁端实配钢筋面积和材料强度标准值计算的抗震受弯承载力所对应的弯矩值，取两者的较大值;即使按增大系数的方法比实配方法保守，明确可只按后者确定柱端弯矩设计值。

框架梁相对较弱的柱反弯点不在楼层内的情况，为防压屈失稳，柱端弯矩也应乘ηc。

在总结汶川震害经验的基础上，对柱抗弯能力增强措施作相应加强。除前述，本次修订还有如下改变:

1)二、三级框架结构仅提高了柱端弯矩增大系数，未要求采用实配反算，柱端弯矩设计值实际也可由式(6.2.2-2)确定，但系数可适当降低;如此可能比按式(6.2.2-1)调整的方法更合理。比如当框架梁是按最小配筋率的构造要求配筋时，为避免出现因梁的实际受弯承载力与弯矩设计值相差太多(即实际配筋数量比计算需要超出较多)而无法实现“强柱弱梁”的情况，宜采用实配反算的方法确定。

2)增加了计算梁端实配抗震受弯承载力时，当楼板与梁整体现浇时，还应计入梁两侧有效翼缘宽度范围内平行框架梁方向的板内实配纵筋，因为，板筋对梁受弯承载力有相当影响。梁端真正出现塑性铰时的实际抗震受弯承载力可按式(2)计算:

其中，fyk为纵向钢筋的抗拉强度标准值;为梁纵向钢筋实际配筋面积［2］。有效翼缘宽度可取梁两侧各6倍板厚。这是美国(ACI318-08［3］规范)根据进入接近罕遇地震水准侧向变形状态的缩尺框架结构试验中对参与抵抗梁端负弯矩的板筋应力的实测结果确定的。欧洲规范EN1998［4］则建议取每侧2倍板厚，这大致相当于梁端屈服后不久的受力状态。故规范的取法是偏于安全的［5］。

1.2 规范条文的运用

柱端组合的弯矩设计值调整后，如何分配给节点处上柱的柱底和下柱柱顶。

1)理论方法:

其余符号说明见相应的规范条文。

2)实践中的简便方法。

对于非一级的框架结构及其9度的情况，可采用如下简便方法:

因为一般情况节点弯矩平衡，即:

由规范(6.2.2-1)，则:

2 增大底层的柱底弯矩

嵌固端截面(不按6.2.2条的规定，而是直接)乘以6.2.3条［1］的弯矩增大系数(修订中系数予以了提高)，加强了底层柱底的实际受弯承载力，避免框架结构柱底过早屈服。对其他结构中的框架，其主要抗侧力构件为抗震墙，对其框架部分的嵌固端截面，可不作要求。

当仅用插筋满足柱嵌固端截面弯矩增大的要求时，可能造成塑性铰向底层柱的上部转移，对抗震不利。规范提出底层柱纵向钢筋应按柱上下端不利情况配置。

3 增大角柱的弯矩和剪力设计值

以往震害中角柱震害相对较重，其内力设计值经过6.2.2或6.2.3 条提高的基础上再按6.2.6 条［1］进行提高，以提高抗震能力。

本次修订，上述1，2，3中均补充了对四级框架的要求。

4 其他措施

1)框架抗震设计的关键是保证柱的抗地震倒塌能力。第一、二阶段设计都要通过抗震构造措施达到“大震不倒”的设防要求，对于可只做第一阶段设计的大多数结构还需借助概念设计。规范有如下相应抗震构造措施:

a.对于梁截面尺寸，6.3.1条是从提高梁变形能力的要求等来处理的;

b.梁端塑性转动量决定梁变形能力，截面混凝土相对受压区高度是此转动量的影响因素，故6.3.3条对梁端相对受压区高度及其底、顶面纵筋的比值作了规定;

c.根据震害经验，6.3.5条增大了一、二、三级且层数超过2层的房屋柱截面最小尺寸的要求，以利“强柱弱梁”的实现;

d.框架柱的弹塑性变形能力，主要与柱的轴压比及箍筋对混凝土的约束程度有关。为此，6.3.6条限制了轴压比，减小了其限值;6.3.9条对柱箍筋的配置作了详尽的要求。

2)应当特别提出的是，注意概念设计的重要性。概念设计对从根本上消除抗震薄弱环节、构造良好抗震性能具有决定作用。为保证实现强柱弱梁的设计，必须设计合理的结构方案，如:

a.上下层刚度突变的结构，不可能避免软弱层;

b.有时虽然满足规范(6.2.2-1，2)式，但因上下柱的线刚度相差很大而使某柱端弯矩较大导致可能先出铰，故要注意竖向抗侧力构件的侧向刚度沿竖向宜均匀变化、宜自下而上逐渐减小其截面尺寸和材料强度;

c.当梁断面过大、配筋较多时(如框梁跨度较大或窗裙梁)，应把柱子断面加大。

3)强柱弱梁的设计理念应贯彻在整个抗震设计始终，如:

a.柱中可增加些纵筋来加大柱安全度，但是增大梁中纵筋可能不利;

b.在板的结构布置中，可以考虑使板在主框梁上的支承是(单向板的)非受力边、符合条件的板尽量按塑性理论设计，节省钢筋是一方面，关键是可以在保障安全的前提下，最大限度地弱化板与梁之间的整体连接与作用;

c.在梁的刚度满足要求的情况下，梁截面形状采用扁、宽形易于强柱弱梁的实现。

4)其实也可考虑改变设计观念。因为从汶川震害来看，只有不带现浇板的纯框架真正实现了“强柱弱梁”;只要有现浇板，框架一般表现的都是柱端先于梁端屈服。究其原因，现浇板的“贡献功不可没”。在内力计算时，由于现浇板的存在，梁的截面惯性矩做了相应的放大。梁刚度大了，分配到的内力也就大了，计算的配筋自然增多。建议处理成梁的截面惯性矩不予放大参加内力计算，“以绝后患”。因为由于往复地震，梁、板间很快开裂，这种截面惯性矩放大的源头也就不存在了，梁端截面配筋设计时按矩形截面设计正是考虑到了这一点。

5 结语

合理的钢筋混凝土框架破坏机制应是强柱弱梁型，不光可以依据规范通过增大柱端弯矩、增大底层的柱底弯矩、增大角柱的弯矩和剪力设计值和抗震构造措施等予以实现(对规范条文的操作方法也要注意采取简便的方式处理)，还可以考虑结构方案、改变内力设计理念等其他的措施以保证实现强柱弱梁的延性框架设计。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

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

［4］王丽卿，何凤璟.梁与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，混凝土结构设计规范［S］.