钢筋混凝土框架结构强柱弱梁的实现

钢筋混凝土框架结构强柱弱梁的实现

□□ 申海洋(山西建筑职业技术学院，山西 太原030006)

摘要：框架结构在地震作用下的破坏机制很难实现“强柱弱梁”。从楼板、围护墙和填充墙、梁端负弯矩以及超配筋现象等方面，分析了影响这种受力机制的各种因素，提出了相应的建议。

关键词：强柱弱梁；超配筋；塑性内力重分布

文章编号：1009-9441(2015)02-0019-02

中图分类号：TU 375

文献标识码：A

Abstract：The failure mechanism of frame structure under seismic action is difficult to achieve “strong column and weak beam”.The author analyzes the various factors affecting the stress mechanism from the floor，enclosure wall and filler wall，beam end negative bending moment and super reinforcement and puts forward the corresponding suggestions.

作者简介：申海洋(1976-)，男，山西太原人，讲师，硕士，主要从事结构工程方面的教学与研究工作。

收稿日期：2015-03-19

引言

在现阶段的建筑结构体系中，钢筋混凝土框架结构由于具有整体性能好、使用空间大、平面布置灵活等优点，在建筑结构中的应用占有较大比重。但是，由于其抗侧移能力较小，在水平地震作用下的侧向变形比较大，在地震区的使用有一定的局限性。所以，框架结构既要有一定的强度，又要有一定的刚度，其综合性能就显得尤为重要。“强柱弱梁”是框架结构抗震设计中一项重要的综合性能指标，对框架结构在地震作用下的受力状态和破坏特征影响很大。本文就此进行分析与探讨，供参考。

1相关规范的规定

GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中6.2.2条规定：一、二、三、四抗震级框架，柱端组合弯矩∑Mc与梁端组合弯矩∑Mb之间应满足下式要求：∑Mc=ηc∑Mb，式中ηc是>1的系数，其目的是使梁柱结点处柱端设计弯矩要大于梁端设计弯矩，保证梁端屈服框架的地震作用耗能受力机制，避免出现柱端屈服框架的地震作用倒塌破坏机制。也就是在设计阶段，使框架柱端的受弯承载能力大于相应的框架梁端受弯承载能力，地震作用下框架梁先于框架柱出现受弯屈服状态。同样的规定在GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》和JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中均有体现。

然而在实际的工程中，由于各种因素的影响，在地震作用下，框架结构并没有表现出设计之初所赋予的“强柱弱梁”工作机制，甚至出现了“强梁弱柱”的破坏形式，极大地影响了框架结构的整体受力性能，这与其理论上有较好的整体延性的特点不相符。以下针对影响框架结构“强柱弱梁”的各种因素进行分析。

2影响因素

2.1　填充墙的影响

框架结构中有很多为了使用功能而设置的围护墙和填充墙，这些墙体是非承重墙，其荷载通过框架梁承担，因而对框架的受力性能影响很大。

围护墙砌体一般砌在框架平面内，外纵墙上为了采光通常有较大的窗户，这样一来，框架柱只有下半部分有填充墙，地震作用下这部分填充墙限制了框架的侧向位移，改变了框架柱的变形特点而形成了短柱的受力机制，导致框架柱可能发生剪切破坏。

框架平面内满砌填充墙，与框架梁和框架柱直接接触，地震作用下，这些砌体填充墙变形能力较小，不能与框架梁和框架柱协调变形，使得这部分框架的变形减小，也即局部刚度发生变化，与整个结构体系变形不协调，从而可能导致框架的局部破坏。

填充墙和围护墙采用的均为砌块材料，组砌而成的墙体刚度较大，而且具有一定的自重荷载，当框架结构中这种砌体较多时，会导致整个结构体系的刚度增大，地震作用下的变形周期减小，产生的地震作用力增大，影响整个结构体系的抗震性能。

2.2　梁端负弯矩的影响

根据框架梁与框架柱在节点处内力平衡的力学特点，梁端负弯矩越大，将来对框架柱的强度要求越高。而在内力计算时，计算框架梁端弯矩采用的是弹性理论，在受力分析时，采用的是框架梁的计算跨度，内力的作用面被认为是在梁柱节点核心区的中心处，这种理论计算出的框架梁端负弯矩较大，导致梁端截面处实际配筋量加大，会给“强柱弱梁”的实现带来阻碍。

2.3　楼板的影响

框架结构的楼面为现浇结构，框架梁与楼板采用整体浇筑混凝土的方式形成一个整体，在竖向荷载作用下共同工作，协调变形。当框架梁端承受负弯矩时，楼板处在受拉区，不考虑楼板的混凝土参与框架梁的受弯工作，但是楼板中的钢筋要参与框架梁的上部受拉工作，如图1所示，提高了框架梁的抗弯(负弯矩)承载能力。当框架梁承担正弯矩时，楼板处在受压区，要参与梁端受压工作，相当于与框架梁共同形成了一个T形受弯截面，增大了框架梁的受压区面积，从而提高了框架梁在端部的抗弯能力。由于楼板的这种参与工作，增强了框架梁在梁柱交接处的实际抗弯能力，增大的程度一般在20%～30%，甚至更大，这种增大的效应对于大多数的框架柱会超过规范规定的框架柱端弯矩增大系数，导致柱端承载能力小于梁端承载能力，在地震作用下不按照“事先约定”的“强柱弱梁”的受力模式工作，而是出现了“弱柱强梁”的受力机制，导致结构体系出现柱铰意外破坏机制。

图1　楼板钢筋对梁端承载能力的影响

2.4　超配筋现象的影响

按照规范对强柱弱梁的规定，只有当框架梁柱结点处的柱端受弯承载能力大于梁端受弯承载能力，才有可能实现强柱弱梁的受力机制。但在实际设计中，框架梁按弹性理论计算相关内力，这种理论计算结果偏于安全，用其结果计算出的构件变形或是裂缝宽度较实际值偏大，导致裂缝或者变形不满足规范要求，梁端配筋按裂缝或变形来配置，加大了梁端配筋数量。框架梁下部配筋一般是按照跨中最大正弯矩设计值来配置，工程中一般的设置方式是将梁底部钢筋从框中全部伸入两端支座进行锚固，但是在框架梁端部处的正弯矩很小，这样一来，就造成了梁端底部钢筋的超配筋现象。如前所述，在框架梁的受弯承载力计算中，并未考虑楼板钢筋的贡献，但在实际受力过程中，楼板中的钢筋对梁的受弯承载能力贡献较大，板中钢筋也造成了梁端的超配筋现象。另外，在实际工程设计阶段，通常的做法是根据梁端计算弯矩来配置相应的受力钢筋，最终的实配数量往往大于计算钢筋数量，并且钢筋的实际强度往往大于其设计强度，这些因素均导致了梁端超配筋现象。加之设计人员对梁的关注度要大于对柱的关注度，因为框架梁承担楼面荷载，处在受弯状态，而框架柱一般情况下处在受压状态，受力简单。综上所述，框架梁端部的实际受弯承载能力往往会超过框架柱的受弯承载能力，造成在地震作用下强柱弱梁无法实现。

3对策建议

(1)填充墙和围护墙的处理有两种方法，一种是施工阶段在墙与柱之间留一定空间，用沥青麻丝等材料填充，墙与框架之间进行软连接，这样在地震作用下可以减小砌体墙对框架变形的影响；另一种方法是在设计阶段考虑砌体墙的影响，明确砌体墙在框架中参与受力的这种影响，赋予其一定的承载能力，采取相应的构造措施，以保证框架的整体性。

(2)适当考虑框架梁在地震作用下的变形能力，允许其端部出现局部的较大塑性变形，即对梁端负弯矩进行调幅，采用支座端部的内力值，减小梁端计算弯矩，从而减小梁端的配筋数量。

(3)适当考虑楼板对框架梁端受弯承载能力的贡献，梁端不论是承受正弯矩还是负弯矩，楼板的影响不容忽视，应当采用系数法或者是规定一定范围的楼板作为梁的有效翼缘参与受弯工作，以减小梁端配筋。

(4)在进行梁端配筋计算和裂缝及变形验算时，建议采用梁端内力而不是支座中心内力。另外，在对框架梁下部配筋时，跨中部位设置的钢筋没有必要全部伸入支座，而是应根据梁端内力和强柱弱梁的需要，同时结合一定的构造要求，将一部分钢筋伸入支座，其余钢筋伸出跨中一定长度即可切断。同时控制梁端钢筋的超配现象，在实际配筋数量上，正弯矩钢筋可适当大于计算值，但是负弯矩钢筋不能大于计算值，宜取0.96～1.0倍的计算值。

4结语

影响强柱弱梁的因素很多，目前的规范对此有一些考虑，但由于地震作用下的梁柱结点处受力比较复杂，相应的理论研究还比较滞后，计算软件程序也有待进一步完善。所以，需要相关工程技术人员概念清晰，明确梁柱之间的可靠度关系，采取“概念设计，宏观控制”，以实现框架结构“强柱弱梁”的受力机制。

参考文献：

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Realization of Strong Column and Weak Beam of Reinforced Concrete Frame Structure

SHEN Hai-yang

(Shanxi Architectural College，Taiyuan，Shanxi，030006，China)

Key words：strong column and weak beam；over reinforcement；plastic internal force redistribution

(编辑盛晋生)