钢筋混凝土现浇框架强柱弱梁屈服机制研究

王 需

0 引言

在钢筋混凝土框架的设计中，应以实现梁铰机制为最佳选择，其次为梁铰和柱铰形成的混合铰机制，应避免结构出现柱铰破坏机制。

为此，规范提出了“强柱弱梁”屈服机制，保证节点处柱的抗弯承载力和刚度高于梁端，以形成梁铰破坏机制。但是在汶川地震中，大量钢筋混凝土框架结构出现了柱铰机制，且结构发生了不同程度的损坏，其中重要的一点就是并未实现抗震设计思想中“强柱弱梁”屈服机制的要求，从而造成了大量框架结构的破坏甚至结构倒塌事件。

本文根据新规范的强柱弱梁设计要求，分析了影响强柱弱梁屈服机制形成的原因，提出了实现该屈服机制的设计方法。

1 钢筋混凝土框架的要求

GB 50011-2010建筑抗震设计规范[1］中保证“强柱弱梁”的措施是考虑控制柱端和梁端的弯矩比，具体规定如下:

一、二、三、四级框架的梁柱节点处，除框架顶层和柱轴压比小于0.15者及框支梁与框支柱的节点外，柱端组合的弯矩设计值应符合下列要求:

一级的框架结构和9度的一级框架可不符合上式要求，但应符合下式要求:

其中，∑Mc为节点上下柱端截面顺时针或逆时针方向组合的弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析分配;∑Mb为节点左右梁截面逆时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和，一级框架节点作用梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取零;∑Mbua为节点左右梁端截面逆时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值之和，根据实配钢筋面积(计入梁受压筋和相关楼板钢筋)和材料强度标准值确定;ηc为框架柱端弯矩增大系数;对框架结构一、二、三、四级可分别取1.7，1.5，1.3，1.2;其他结构类型中的框架，一级可取 1.4，二级可取 1.2，三、四级可取 1.1。

GB 50011-2001 2008版建筑抗震设计规范中规定一、二、三级柱端弯矩增大系数为 1.4，1.2，1.1，2010 版新抗震设计规范明显定义了更加严格的柱端弯矩增大系数。

2 影响“强柱弱梁”屈服机制实现的因素

2.1 现浇板的影响

现浇板中的钢筋增强了梁端实际抗弯承载力，对梁端出铰产生了不利的影响，在正弯矩区，楼板的配筋参与受力，与框架梁共同作用形成T梁，一定程度提高了框架梁的刚度和承载力;类似的在负弯矩区，楼板内超配钢筋的参与工作等同于增加了框架梁的负弯矩筋，使得框架梁的负弯矩承载力也大大加强[2］。

美国ACI318-02中定义节点左右梁的抗弯强度考虑了与梁共同作用的有效翼缘宽度内的楼板参与受力，即将带楼板梁等效为T型梁或Γ型梁。我国现行抗震设计规范虽然大幅度提高了柱端弯矩增大系数，并对能否实现“强柱弱梁”屈服机制有必要进行更深入的研究。

2.2 柱轴压比的影响

现行规范轴压比限值偏高是导致框架结构抗地震倒塌能力不足的主要原因。

在地震过程中，轴压比过高容易造成柱压溃破坏，适当控制轴压比对实现强柱弱梁机制是非常有益处的。

由于汶川地震中竖向振动很大，巨大的轴压容易使混凝土压溃而发生剥离脱落，从而严重削弱柱端的抗剪能力，而柱端出铰并不会减小其所受到的地震剪力，因而很容易引起剪切破坏。因此，需要考虑压弯破坏对柱端抗剪承载力降低的影响，防止柱端混凝土强度严重退化，充分保证“强柱弱梁”屈服机制的实现[4］。

2.3 双向地震作用的影响

在双向地震作用下，钢筋混凝土框架柱的受力情况更加复杂，斜向受到的地震弯矩也会显著增大，特别是双向地震的耦合作用将使柱端更容易发生塑性反应，地震作用下框架结构更容易出现梁柱铰，甚至柱铰的耗能机制，使得结构的抗倒塌能力显著下降。

2.4 人为原因造成的梁端钢筋超配

在结构设计中出于安全考虑人为将各构件控制截面计算所得配筋根据经验加大，人为的增大梁端配筋量，而忽视了对柱配筋的考虑，从而造成实际配筋中梁端弯矩远大于规范设计值，使结构的柱端弯矩小于梁端弯矩，对结构整体抗震性能造成不利。

3 强柱弱梁设计中应考虑的因素

1)为有效确定现浇楼板对梁强度和承载力的影响，建议在框架设计中需要考虑一定板宽范围内的楼板钢筋参与框架梁的共同受力，才能确保实现“强柱弱梁”机制。

2)目前的研究认为柱端弯矩增大系数应进一步放大，才能形成“强柱弱梁”机制，建议在后续工作中进一步考察规范系数的有效性。

3)考虑到设计中的人为因素和材料的离散性等，建议在钢筋混凝土框架设计中，取实际配筋计算，或者考虑适当的增加柱端配筋梁。

4 结语

1)2010版建筑抗震设计规范提出了更加严格的柱端弯矩增大系数，显著的提高了强柱弱梁屈服机制的实现，但是其实际效果有必要进行进一步的研究。

2)分析了影响结构强柱弱梁屈服机制实现的因素，其中现浇楼板对钢筋混凝土梁的刚度和创造力提升显著，建议在计算混凝土梁抗弯强度时考虑与梁共同作用的有效翼缘宽度内的楼板参与受力;柱轴压比是影响柱刚度和承载力的重要因素;双向地震和人为因素也对强梁弱柱屈服机制的实现有一定的影响。

3)针对影响强柱弱梁屈服机制实现的几种因素，建议在设计和施工中考虑现浇板配筋对梁刚度和创造力的贡献。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S］.

[2]杨 红，王七林，白绍良.双向水平地震作用下我国框架的“强柱弱梁”屈服机制[J］.建筑结构，2007，37(8):71-76.

[3]王晓峰，秦 荣，刘光焰.水平荷载作用下框架结构动力稳定性研究[J］.山西建筑，2010，36(11):75-76.

[4]叶列平，曲 哲，马千里，等.从汶川地震框架结构震害谈“强柱弱梁”屈服机制的实现[J］.建筑结构，2008，38(11):52-59.

[5]腾祥泉，徐志强.框架结构强柱弱梁影响因素分析及设计建议[J］.山西建筑，2010，36(15):54-55.