影响框架结构“强柱弱梁”的主要设计因素及设计对策

刘 东，黄 爱

(四川三众建筑设计有限公司，四川成都610031)

1 “强柱弱梁”的设计

“强柱弱梁”是延性框架设计的一项重要内容。《建筑抗震设计规范》(2008年版)(GB 50011 －2001)［1］(以下简称《抗震规范》)第6.2.2条条文说明指出:在强震作用下结构构件不存在强度储备，梁端实际达到的弯矩与其受弯承载力是相等的，柱端实际达到的弯矩也与其偏压下的受弯承载力相等。这是地震作用效应的一个特点。因此所谓“强柱弱梁”指的是:节点处梁端实际受弯承载力和柱端实际受弯承载力之间满足:即在大震作用下实现梁铰机制而不出现柱铰机制。梁铰机制优于柱铰机制，是因为梁铰分散在各层，即塑性变形分散在各层，不至于形成倒塌机构，而柱铰集中在一层，塑性变形集中，该层成为薄弱层后，易形成倒塌机构;梁铰的数量远多于柱铰的数量，在同样大小的塑性变形和耗能要求下，对梁铰的塑性转动能力要求低，对柱铰的塑性转动能力要求高;梁是受弯构件，容易实现大的延性和耗能能力，柱是压弯构件，尤其是轴压比大的柱，不容易实现大的延性和耗能能力。

有一点必须明确:按规范规定设计的框架结构，只能适度推迟柱端塑性铰的出现，而不能避免出现柱端塑性铰。这一点《抗震规范》第6.2.2条文有明确说明，“只在一定程度上减缓柱端的屈服”。研究表明，要真正实现“强柱弱梁”，《抗震规范》第6.2.2条中的系数ηc不小于1.5。即便如此，目前各国抗震设计都不能实现完全的梁铰机制，往往既有梁铰又有柱铰的混合铰机制。

“5·12”汶川大地震中，按规范要求所设计的框架结构，规范所要求的“强柱弱梁”破坏形态几乎没有出现，反而出现了很多“强梁弱柱”的破坏形态。以下就对造成这种“强梁弱柱”破坏形态的原因从设计的角度作一定的分析。

2 影响“强柱弱梁”的设计因素

2.1 现浇楼板的影响

现浇楼板在整个结构中发挥了两大作用:卸载作用和抗力作用。结构设计师在进行结构整体计算分析时，都是假定荷载传递途径为:板→梁→柱。而实际上，很多荷载通过楼板的平面外刚度直接传给了柱，这样，根据假定算出来的框架梁弯矩是个“假”弯矩，和实际情况相差很大。要让框架梁屈服，楼板就都要屈服，楼板的钢筋和梁的钢筋是共同工作的，所以实际上整个现浇钢筋混凝土结构中的框架梁由于楼板的作用得到了增强。

目前常规设计中，一般不直接考虑楼板的平面外刚度，只通过放大框架梁刚度的方法来近似考虑楼板平面外的刚度。《高层建筑混凝土结构设计规程》(JGJ 3－2002)［2］(以下简称《高层规范》)第5.2.2条有相应的规定。对整体分析而言，这是一种合理的工程近似计算方法。既然内力计算时考虑了楼板平面外的刚度，理所当然，在框架梁配筋计算时，框架梁端截面配筋应按有翼缘的梁进行设计，同时将部分计算配筋配置在距梁边一定范围的板内，让梁和此部分板共同承受这部分作用，这样更符合实际情况。而实际配筋时，却将全部的计算配筋配置在梁内，没考虑梁边两侧一定宽度范围内板筋的共同作用，这导致框架梁实际所能承受的内力大于计算值。对于单个框架梁构件而言，这意味着楼板平面外刚度引起的内力被考虑到框架梁内力中去了，这是不符合实际的。

《抗震规范》第6.2.2条中指出:当计算梁端承载力时，若计入楼板的钢筋，且材料强度标准值考虑一定的超强系数，则可提高框架结构“强柱弱梁”的程度。但如何考虑楼板的影响，却没有更具体的规定。

研究表明［3］－［4］，楼板内的钢筋会使框架梁的实际抗弯能力增大20% ～30%，仅这种增大幅度，对大多数情况下的二级和三级框架，都会超过《抗震规范》第6.2.2条所取用的柱端弯矩增大系数。若再考虑其它因素所引起的框架梁的超配筋情况，则一级框架也可能满足不了《抗震规范》第6.2.2条所规定的一级框架的“强柱弱梁”的要求。

2.2 梁端实配钢筋的超配和钢筋的超强及超屈服的影响

实际工程中，梁端钢筋的超配(梁端负弯矩钢筋、正弯矩钢筋超配)，加大了梁端实际受弯承载力与计算受弯承载力的差距，再加上钢筋的超强和超屈服使得这种差距更大。而《抗震规范》第6.2.2条条文说明中明确指出:该公式是建立在“梁端实配钢筋不超过计算配筋10%的前提下”的。梁端实配钢筋的超配直接影响梁端实际受弯承载力，因此必须合理控制梁端实配钢筋与计算钢筋的比例。

2.3 弹性计算模型的影响

目前国内规范体系采用弹性方法计算内力，在截面设计时再考虑材料的弹塑性性质(《高层规范》第5.2.3条通过梁端负弯矩调幅来近似考虑材料的弹塑性性质)。结构分析计算中，框架梁端部负弯矩按梁的计算跨度计算，荷载效应计算截面位于梁柱交点处(即在柱范围中心处，即使考虑刚域时，梁端计算截面也位于柱截范围内)，结构计算没有考虑柱截面宽度对构件计算内力的影响。而构件抗力计算采用的是柱边梁端截面，抗力和效应计算分别采用不同截面，加大了梁端截面配筋。《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2002)［5］(以下简称《混凝土规范》)第5.2.6条有明确规定:对与支承构件整体浇筑的梁端，可取支座或节点边缘截面的内力值进行设计。对于这一点，目前大多数计算程序没这个功能。

2.4 不合理裂缝宽度验算的影响

就《混凝土规范》中的裂缝宽度验算公式8.1.2而言，该式主要由原南京工学院丁大均研究组和中国建筑科学研究院提出，是从简支受弯构件试验研究成果得出的，它不适用于连续梁。但我们的规范中没有表示。实际工程中，构件的变形会受到支承边界的约束，因此引起的粘结破坏和引发次生裂缝的程度会小很多。

梁裂缝宽度验算的内力取柱截面范围内的梁计算端部，不是真正的梁端，而所验算的截面取柱边缘处梁的真实截面，内力取值和实际截面位置不统一。这种内力与计算截面的不一致，导致梁端计算弯矩过大，梁端裂缝计算值大于实际值，为控制裂缝，不得不加大梁端配筋。

目前，施工图审查单位常要求设计单位对各种构件都要提供裂缝宽度，而软件编制单位也都能提供各类构件的裂缝宽度，但这种数据的可靠性是值得怀疑的。我们常因为计算得出的裂缝宽度过大，而不得不多配钢筋，这不仅造成了浪费，而且节点区配筋过多，使混凝土不易振捣，影响混凝土密实度，更不易实现“强柱弱梁”。

2.5 梁底钢筋不合理配置的影响

目前，梁详图设计绝大部分都采用国家建筑标准设计图集03G101(《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》现浇混凝土框架、剪力墙、框架—剪力墙、框支剪力墙结构)［6］(以下简称《03G101》)。设计时，柱左右两端的梁下部钢筋直径很多时候不同，若按《03G101》统一在柱支座处锚固搭接，造成梁柱节点处钢筋过多，从而影响混凝土的浇筑质量，对实现“强柱弱梁”极为不利。当下部钢筋排数多于一排时，全部钢筋均伸入柱支座，这种影响更大。

2.6 轻质填充墙的影响

框架结构中的砌体填充墙和围护墙刚度大，所分配的地震力大，但承载力低，变形能力差，地震中首先承受地震力而破坏。它的存在，减小了主体结构的自震周期，增大了结构的地震作用;而且由于其不均匀布置，改变了主体结构的侧向刚度分布，从而改变了地震作用在各构件之间的内力分布状态;它与框架梁共同受力，显著减少了框架梁弯曲变形，增大了框架梁的刚度和抗弯承载力。填充墙体对框架结构自震周期的影响是复杂的，随墙体材料的不同、布置方式的不同而不同。目前，规范及现有计算手段尚无法对填充墙对结构刚度的影响进行量化分析，规范只用一个统一的周期折减系数来近似考虑填充墙对结构刚度的影响，对整个结构而言，未免过于粗糙，对具体部位的构件而言，就显得更过于粗糙了。

2.7 柱的轴压比限制规定偏高，柱最小配筋率和最小配箍率偏小，柱截面尺寸偏小

柱的最小配筋率可使柱的基本受弯承载力得到一定的保证，而最小配箍率则可保证对核心混凝土的基本约束。相比美国ACI规范，我国《抗震规范》所要求的最小配筋率总体偏小。

在最小配箍率方面，美国规范和我国《抗震规范》大体相当。但美国规范所要求的箍筋直径高于我国《抗震规范》的要求，且美国规范规定使用的钢筋最小屈服强度为280 MPa，最高屈服强度为550 MPa，而我国多用HPB235级钢筋作箍筋，实际中最高用HRB400级钢。因此，美国规范在箍筋方面的要求比我国《抗震规范》要求的高。

在轴压比限制方面，日本规范换算为我国的情况约为0.33，比我国的规范低很多。由于轴压比限制偏高，当柱按较高的轴压比限制控制设计时，使得柱截面尺寸过小，长细比偏大。

3 设计对策

3.1 充分考虑现浇楼板的作用

在计算上，充分考虑现浇楼板平面外的刚度，可采用壳元细分。现浇楼板内的钢筋有增大梁端负弯矩受弯承载力的作用。参与受力的板内钢筋的范围与梁端的屈服程度有关:梁端未屈服时，板内钢筋基本不参与受力;随梁端屈服的严重程度增大，板内参与受力钢筋的范围增大，但板内钢筋参与的程度随着钢筋离开梁肋距离的增大而减少。为真正实现强柱弱梁，计算梁端的受弯承载力时，应适当考虑现浇楼板中的钢筋对框架梁端部实际正截面抗震受弯承载力的影响，考虑框架有效翼缘宽度范围(考虑楼板受拉，可近似取梁两侧各为3倍楼板厚度范围)内，与框架梁跨度同向的板顶钢筋的作用。但此时应注意，板有效宽度内与梁平行的钢筋应根据框架梁负弯矩纵筋的要求延伸足够长度后才能截断。

3.2 保证抗力和效应计算截面的统一

在承载能力极限状态计算时，抗震设计的结构应采用考虑结构塑性内力重分布的分析方法，同时采用柱边缘截面处的梁内力设计值，使构件承载力和荷载效应计算截面统一。另外，在构件的裂缝宽度验算中，也宜采用考虑塑性内力重分布的分析方法，同时也采用柱边缘截面处的梁端内力值，确保抗力和效应计算截面统一，从而避免裂缝宽度验算不致影响“强柱弱梁”的实现。

3.3 梁底筋的合理配置

在柱配筋不变的情况下，可通过“协调配筋方式”来弱化梁的实际受弯承载力，从而使柱 的受弯承载力间接加强。即，在柱两端框架梁截面高度相等的条件下，可通过调整梁下部钢筋的直径，使尽量多的梁下部钢筋在柱支座内拉通设置，在支座外搭接。通过协调配筋方式，避免了梁柱节点核心区内钢筋过于密集，使纵筋与混凝土更好地锚固，以便于施工，有利于“强柱弱梁”的实现。

另外，根据弯矩配筋包络图，梁跨中下部截面的配筋，在满足规范有关梁端上下钢筋比值的条件下，可不全部伸入支座，也可减少“强梁弱柱”的发生。

3.4 合理控制梁筋的超配

应严格控制梁端实配钢筋，对梁端负弯矩钢筋不应超配(控制实配钢筋不超过计算钢筋面积，一般情况下，可取实配钢筋面积为0.95～1.0倍的计算钢筋面积);对梁端正弯矩钢筋应控制超配比例(一般情况下，可控制超配系数在10%以内)。

3.5 限制梁、柱的线刚度比

限制框架柱与框架梁的线刚度比在一个较为合理的范围内，可取1.5～2.0。有些地方标准已有相关的规定。

3.6 提高柱的配筋率、配箍率，降低柱的轴压比限制

4 结论

影响实现“强柱弱梁”破坏机制的因素很多，也很复杂，有理论研究的滞后、设计计算的缺陷和抗震构造的不足等。设计人员应从工程结构的实际受力状况出发，对各种可能影响“强柱弱梁”破坏机制的因素予以全面考虑，采用合理的结构分析方法和模型。在目前有些影响因素还不能精确考虑的情况下，加强概念设计，结合建筑图对重点部位进行适度的加强，以充分保证“强柱弱梁”破坏机制的实现。

［1］GB 50011—2001建筑抗震设计规范(2008)［S］

［2］JGJ 3－2002高层建筑混凝土结构设计规程［S］

［3］唐九如.钢筋混凝土框架节点抗震［M］.南京:东南大学出版社，1989

［4］蒋永生，陈忠范，周绪平，等.整浇梁板的框架节点抗震研究［J］.建筑结构学报，1994，12(3)

［5］GB 50010－2002混凝土结构设计规范［S］

［6］中国建筑标准设计研究所.03G101混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图(现浇混凝土框架、剪力墙、框架—剪力墙、框支剪力墙结构)［M］.北京:中国计划出版社，2006