框架结构强柱弱梁的影响因素及设计要点

崔艳东

摘 要：钢筋混凝土框架结构，是当前建筑业中最主要的结构形式，被广泛应用于工业与民用建筑中。但是它自身的侧向刚度较小，而地震作用引起的侧向位移较大，为了保证框架结构在遭遇地震作用时不发生倒塌，我们对钢筋混凝土框架结构必须采取一定的抗震措施，以保证人民的人身和财产的安全。“强柱弱梁”是抗震结构设计中的必要措施，所谓的强柱弱梁是指节点处柱端实际受弯承载力大于梁端受弯承载力。一方面，它的底层柱上下端出现塑性铰，能够迅速导致结构倒塌，另一方面，它只有在全部梁端出现塑性铰并迫使结构底部也出现屈服变形时，结构才会破坏。

关键词：影响因素；注意事项；强柱弱梁；框架结构

1 影响实现强柱弱梁的因素

1.1 框架柱轴压比限值的影响

在现行《建筑抗震设计规范》中规定的轴压比限值，主要是为了保证柱的塑性变形能力和保证框架的抗倒塌能力。抗震破坏最终希望框架柱以大偏心受压破坏，柱的轴压比直接影响柱截面设计，因为在轴力设计值不变的情况下，柱子轴压比限值偏大就会使得柱子的截面就要变小，框架柱刚度偏小，柱体的抗弯能力和抗剪能力都会有所下降，其柱体的变形量增大，极易造成柱体的失稳，当遭遇罕遇地震时，柱轴力会进一步增大，甚至可能超过界限轴力而成为小偏压受力，导致框架在地震作用下就容易破坏产生柱铰型破坏机制，因此，适当控制轴压比对实现“强柱弱梁”机制是非常有必要的。

1.2 填充墙对结构刚度的影响

实际建筑物的自振周期短于自振周期，尤其是有实心砖填充墙的框架结构，在强柱弱梁的所有影响因素中，填充墙是影响最大的一个因素，填充墙和框架梁是相互依存的关系，对结构会产生如下一些影响，因此我们必须要明确填充墙的结构功能及其相应的设计目标。实际工程中，围护墙和填充墙通常直接在框架梁上砌筑，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，它不仅能直接参与整体结构的抗震受力，显著增大框架梁的刚度和抗弯承载力，而且还能增加结构层刚度，造成结构层刚度不均匀，减小框架梁弯曲变形，形成层屈服机制，引起扭转效应。填充墙的结构功能目标分为：1）参与结构受力，这时它就是抗震的第一道防线，在整体结构的抗震分析和设计中就要给予足够的考虑；2）不参与结构受力，这时它就得跟周边的框架有足够的隔开、分开，这种设计能够对结构扭转效应有很好的控制，从而避免使框架柱形成短柱而发生的脆性剪切破坏。

1.3 柱梁的刚度比的影响

在弹性阶段，梁和柱的截面在地震作用下可能同时屈服，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，当进入弹塑性阶段以后，框架柱就会先于框架梁达到抗弯承载力，结构无法再形成“强柱弱梁”屈服机制，这时，就会发生在柱端先破坏而出铰；在进行建筑结构的抗震设计时柱梁的刚度比也应该做为一个重要的考慮因素。

1.4 现浇楼板对框架梁的承载力及刚度的影晌

楼板对“强柱弱梁”的影响在国外是考虑一定的超强系数，研究表明，楼板内的钢筋能够使框架梁的实际抗弯承载力增大20～30%。在结构设计中楼板参与结构的抗侧力刚度分配，它能够加强梁的抗弯刚度，当结构的局部破坏时楼板会起到一定的拉结作用。在现浇混凝土框架结构中，楼板一般与梁柱现浇，形成一个相互连接的空间整体，这样能够提高框架梁的抗弯承载力以及抗弯刚度。一般情况下，当梁端承受正弯矩时，楼板和框架梁共同组成T型截面，这样就增加了框架梁的受压区宽度，进而增加梁端抗弯承载力和抗弯刚度，而当梁端承受负弯矩时，楼板内配筋相当于增加了框架梁的负弯矩筋，也会显著增强框架梁的抗负弯矩承载力。但是在楼板中配筋，必须要考虑楼板内与梁肋平行的钢筋。故在现行《高层建筑混凝土结构技术规程》中，楼面梁的刚度增大系数可根据翼缘的情况取1.3～2.0。

2 “强梁弱柱”震害现象的主要原因

2.1 柱轴压比限值偏大

当遭遇较大地震时，柱轴力会进一步增大，已基本接近界限轴力的几层底部框架柱轴压力可能超过界限轴力而成为小偏压受力，导致柱抗弯承载力的降低，这不利于强柱弱梁的破坏机制，所以设计时，应给轴压比限值留有足够的余地，控制轴压比限值不要过高。

2.2 框架梁跨度和荷载过大

梁的截面尺寸和梁的跨度和荷载是有一定的联系的，当框架梁跨度和荷载过大时，梁截面尺寸就增大，使框架结构的刚度比形成强梁弱柱，梁端抗弯承载力也就会增大，因此在结构布置时要注意梁的跨度以及梁、柱截面的选择，应使柱的线刚度与梁的线刚度比值大于1，以达到在罕遇地震作用下，梁端形成塑性铰时，柱端处于非弹性工作状态而没有曲服，节点仍处于弹性工作状态的目的。

2.3 梁端计算弯矩与计算截面不对应

一般框架梁计算跨度是指两柱中心线间的距离。在结构计算中，按弹性方法验算梁端截面裂缝宽度时，如果存在计算弯矩与计算截面不对应的情况，就会导致梁端计算弯矩的取值过大，进而使得“强柱弱梁”的延性屈服机制难以实现。

2.4 梁端截面底部钢筋配置不合理

由于设计习惯和钢筋归并等原因，造成梁配筋的增大，要控制在合理和可以接受的范围内，并确认其不会超过柱端内力调整系数从而造成强梁弱柱。如果将梁底部钢筋全部伸入支座内，就会使得梁端截面底部实际配筋大大超出“强柱弱梁”计算中对应于梁底弯矩设计值的配筋量。

3 结构设计建议

在进行“强柱弱梁”设计时，对于不同抗震等级，柱端设计弯矩均应按梁端截面实配钢筋的抗震受弯承载力进行调整放大，这样，梁端截面的实际受弯承载力就不会比计算受弯承载力高出好多。应适当考虑现浇楼板中的板钢筋对框架梁端部截面实际抗震受弯承载力的影响。严格控制梁端截面实配钢筋量，对于支座负筋不应超出计算值，甚至可根据经验作适当减少。在进行梁端截面配筋及裂缝验算时，应考虑塑性内力重分布，同时采用柱边缘处的梁端弯矩设计值，确保构件的裂缝宽度验算不致给“强柱弱梁”验算增加新的负担。对于不能完全实现“强柱弱梁”的结构，应考虑实际情况分别用总体失效准则和局部失效准则，对产生梁柱混合铰屈服机制的结构的抗震性能进行综合评价。

4 结语

正确考虑楼板对梁的刚度和承载力的贡献是保证结构分析和结构正确设计的前提，“强柱弱梁”不仅能够避免结构形成同层所有柱端均出现塑性层侧移，还能够使框架结构在强震下形成具有较好抗震性，是实现梁铰机制的重要结构措施，是钢筋混凝土框架结构中的一项关键控制措施。

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