钢筋混凝土框架结构合理破坏模式研究★

刘欣冉 聂小雪

(武汉工程大学，湖北 武汉 430205)

框架结构在地震作用下产生大量发育完全且集中的塑性铰是结构局部性能退化，破坏集中并最终导致结构发生整体破坏的最直接的原因[1]，因此在进行结构合理破坏模式分析的过程中应重视塑性铰的发育对结构破坏的影响。从安全性能方面考虑，梁铰机制是一种理想的破坏机制，为此我国规范通过内力调节提高了柱的相对抗弯刚度，但因多种因素的影响，梁铰机制的实现还需更加全面的措施来保证。

在促进梁铰机制实现的措施中，主要包括内力调整和抗震构造措施[2]。一是通过内力调整，改变结构构件的强度、刚度比值，使结构破坏时塑性铰更易出现在梁端[3]。二是通过结合抗震构造措施，对结构易出现塑性铰的位置进行人为构造加强[4]，以此保证结构在出现塑性铰时仍然具有较大的承载力[5]。对于内力调整，我国规范的做法是，在弹性状态下分析结构的内力，然后在得出的柱端内力的基础上乘以一个柱端弯矩增大系数，以增大柱端弯矩设计值，用这种方式实现配筋设计时柱配筋的增大，保证柱端实际抗弯能力大于梁端实际抗弯能力[6]。

本文以框架结构在地震作用下的破坏模式为研究对象，分析现行规范中框架结构实现“强柱弱梁”的保证措施。由现行规范中内力调整措施对框架结构进行强柱弱梁设计，分析框架抗震性能情况，以此判断规范提出的内力调整措施的精确性，并通过设置不同柱端弯矩增大系数的对比试验，得出建议的柱端弯矩增大系数。并分析在对梁柱线刚度比进行合理控制时，是否会对柱端弯矩增大系数的作用效果产生影响。期望能对现有框架结构设计方法提出进一步的建议，得到更加合理的框架结构的破坏模式。

1 基于内力调整方法的框架结构的抗震性能分析

本文的分析模型为一个平面框架结构，结构类型为丙类。框架结构所处地区设防烈度为7度0.15g，场地类型为Ⅱ类，设计地震分组为第一组。结构首层高4 m，2层～6层高3.3 m，共6层，中跨跨度2.4，边跨跨度为7 m，楼板采用钢筋混凝土现浇楼板，板厚取0.15 m。结构平面图如图1所示。运用结构设计与分析软件SAP2000，给予先行规范的内力调整措施，对框架结构进行设计分析。

楼面恒载与活载取值如表1所示。

表1 荷载信息表 kN/m2

本文设计的框架结构采用的混凝土强度等级为C30,C40的混凝土。框架梁、柱纵筋、箍筋采用HRB400级钢筋。构件截面尺寸如表2所示。

表2 构件截面尺寸

由塑性铰的分布分析得出，经现行规范内力调整方法所得出的框架结构的破坏机制为梁柱混合铰机制，除底层柱底塑性铰外，柱端塑性铰大多出现在位移较大的楼层。中柱柱端出铰的现象较为严重，而边柱则较少出铰。经内力调整之后框架结构虽然在柱端仍有塑性铰出现，但没有出现塑性铰集中在某一薄弱层而形成倒塌机制的现象。

根据塑性铰的分析，经我国现行规范给出的内力调整措施，框架结构在大震作用下仍有塑性铰出现，但没有出现塑性铰集中在某一薄弱层而形成倒塌机制的现象。

根据现行规范对柱端弯矩增大系数取值的规定，塑性铰大量出现在柱端，尤其是中柱，强柱弱梁的破坏模式并没有实现，而是出现了梁柱混合铰机制。中跨短柱的刚度较大，导致梁柱的线刚度较大，中柱出铰严重。因此，由规范提出的柱端弯矩增大系数的取值并不能使结构呈现良好的破坏模式。

2 基于安全性能考虑的柱端弯矩增大系数的建议取值

对上述模型，按照6度(0.05g)，7度(0.1g)，7度(0.15g)，8度(0.2g)，8度(0.3g)，9度(0.4g)六种不同的抗震设防烈度，计算截面及材料强度等，对框架结构进行小震作用下的设计。采用逐渐递增的柱端弯矩增大系数对同一烈度下的框架赋予不同的柱端弯矩增大系数，通过运用SAP2000对框架结构进行分析，得出合适的柱端弯矩增大系数，以有效保证框架结构强柱弱梁破坏模式的实现。

在SAP2000中调整框架模型的构件截面尺寸及混凝土的强度等级，以满足不同框架在不同设防烈度下的小震作用下的承载力和位移要求。将六个不同设防烈度下的框架结构分别编号为KJ1，KJ2，KJ3，KJ4，KJ5，KJ6，如表3所示。

表3 最大轴压比、最大层间位移与基本周期

对规范中给定的不同设防烈度下的柱端弯矩增大系数的取值，以0.1的频率增加，对框架结构进行分析，依据所得结果中塑性铰的分布情况，试算到结构出现良好的强柱弱梁效果为止，以找出使结构呈现“强柱弱梁”破坏的柱端弯矩增大系数。

通过SAP2000分析可得框架结构梁柱端的塑性铰出现情况。梁柱端的塑性铰发生率是评判结构是否实现强柱弱梁破坏模式的基本标准。表4为框架结构在不同的柱端弯矩增大系数下的梁柱端塑性铰出铰率，可反映柱端弯矩增大系数对强柱弱梁破坏模式的影响。

表4 KJ1在不同柱端弯矩增大系数下的梁柱端出铰率

通过对本文不同设防烈度下框架结构在不同地震工况下的非线性分析，在未考虑梁柱线刚度比时，已知柱端弯矩增大系数调整后，柱端出铰率明显下降。在未进行梁柱线刚度比调整的情况下，我国规范给出的柱端弯矩增大系数建议进一步增大。表5为在不同设防烈度下的柱端弯矩增大系数的建议取值。

表5 不同设防烈度下柱端弯矩增大系数建议取值

3 结语

本文通过建立钢筋混凝土框架结构模型，分析柱端弯矩增大系数对框架结构破坏模式的影响得出以下结论：

1)在对规范中框架结构柱端弯矩增大系数下的框架结构进行分析，发现柱端出铰率较高，在强震作用下，柱铰可能会集中在某一层，导致框架结构发生整体性倒塌。因此，从安全性能方面考虑，建议增大现行规范中的柱端弯矩增大系数。

2)通过对比每个设防烈度下，柱端弯矩增大系数不同取值，分析框架结构的破坏模式，得到从安全性能方面考虑时更合理的柱端弯矩增大系数。6度设防下的一级框架，按照规范给定的增大系数可满足强柱弱梁。9度设防下的一级框架，柱端弯矩按照规范要求的1.2∑Mbua取值可满足要求。其余设防烈度下的框架结构的柱端弯矩增大系数均需经一定程度的增大，才能实现良好的梁铰机制。