譚小平，楊 虹，于文慧

(西華大學(xué)建筑與土木學(xué)院，四川成都610039)

建筑界有一句諺語：“梁壞倒兩間，柱壞倒大片”。說明在地震中，柱破壞嚴(yán)重程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于梁破壞的情況，體現(xiàn)柱構(gòu)件在結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性。在建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，“強(qiáng)柱弱梁”是抗震設(shè)計的基本原則。但在現(xiàn)實中，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計的結(jié)構(gòu)由于設(shè)計和施工等因素往往并不能完全滿足梁鉸機(jī)制破壞先于柱鉸機(jī)制破壞的要求，而出現(xiàn)了“強(qiáng)梁弱柱”這一現(xiàn)象，在歷次的國內(nèi)外大地震中造成了極大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，釀成不可彌補(bǔ)的損失。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中體現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的措施

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50010-2010)[1]6.2.2條：一、二、三、四級框架的梁柱節(jié)點處，除框架頂層和柱軸壓比小于0.15者及框支梁與框支柱的節(jié)點外，柱端組合的彎矩設(shè)計值應(yīng)符合下式要求：

∑Mc=ηc∑Mb

一級的框架結(jié)構(gòu)和9度的一級框架可不符合上式要求，但應(yīng)符合下式要求：

∑Mc=1.2∑Mbua

式中ηc為框架柱端彎矩增大系數(shù)：對框架結(jié)構(gòu)，一、二、三、四級可分別取1.7、1.5、1.3、1.2；其他結(jié)構(gòu)類型中的框架，一級可取1.4，二級可取1.2，三、四級可取1.1。式中其他符號見規(guī)范，此處從約。

6.2.3條：一、二、三、四級框架結(jié)構(gòu)的底層，柱下端截面組合的彎矩設(shè)計值，應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.7、1.5、1.3和1.2。底層柱縱向鋼筋應(yīng)按上下端的不利情況配置。

按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50010-2001)[2]設(shè)計的建筑，經(jīng)過2008年汶川地震的檢驗，發(fā)現(xiàn)房屋的破壞機(jī)制基本上以“柱鉸破壞”的形式為主，達(dá)不到結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的“梁鉸破壞”機(jī)制，是造成此次地震重大人員傷亡和財產(chǎn)損失的主要原因。從抗震規(guī)范上來講，基本思路是通過控制框架柱端彎矩增大系數(shù)ηc來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的“強(qiáng)柱弱梁”。王娜[3]等學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，在不改變柱截面的情況下，調(diào)整ηc的取值，對結(jié)構(gòu)在破壞時的形態(tài)有重要的改變。因此現(xiàn)行規(guī)范在2001版抗規(guī)[2]基礎(chǔ)上相應(yīng)加強(qiáng)對ηc的控制：抗震等級為一級ηc由1.4變?yōu)?.7，抗震等級為二級ηc由1.2變?yōu)?.5，抗震等級為三級ηc由1.1變?yōu)?.3。

2 影響結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”的主要因素和方法

2.1 現(xiàn)澆樓板

以前的設(shè)計以預(yù)制樓板為主，結(jié)構(gòu)的整體性太差，在地震作用下多數(shù)出現(xiàn)了大面積的樓板塌陷的情況?，F(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。雖然克服了預(yù)制板的整體性差的缺點，但卻出現(xiàn)了新的問題：首先，在結(jié)構(gòu)計算中，現(xiàn)澆板對結(jié)構(gòu)的作用僅僅通過放大梁的剛度來考慮，但卻忽略了現(xiàn)澆板中鋼筋對梁的貢獻(xiàn)。王世普[7]等學(xué)者用實例分析了板鋼筋對梁實際承載力的影響，分析結(jié)果表明：樓板在最小配筋率的情況下，樓板對梁承載力提高為10%；當(dāng)板配筋率較高時，對梁受彎承載力的提高超過30%；如果再加上梁本身的實際配筋率比計算配筋率高的部分，累計結(jié)果將會大大超過柱端彎矩增大系數(shù)，易出現(xiàn)“強(qiáng)梁弱柱”的破壞機(jī)制。第二，在結(jié)構(gòu)計算模型假定中[6]，荷載的傳遞路徑是板→梁→柱。但實際上荷載由樓板直接傳給柱的情況也不少，導(dǎo)致理論計算的彎矩與實際情況不相符。

現(xiàn)行2010年版《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)中，強(qiáng)調(diào)確定彎矩比系數(shù)(框架柱端增大系數(shù))來考慮現(xiàn)澆樓板中鋼筋的貢獻(xiàn)，但規(guī)范正文與條文說明中都沒有給出明確彎矩比系數(shù)的定量方法。

2.2 填充墻

填充墻與純框架結(jié)構(gòu)的作用非常密切，但目前用現(xiàn)行通用的結(jié)構(gòu)軟件PKPM建立模型時，方法是將填充墻轉(zhuǎn)化為均布線荷載加載到梁上，再乘以小于1的周期折減系數(shù)來調(diào)整結(jié)構(gòu)自振周期。從理論上來講，此種方法具有一定的合理性，但是在實際中，填充墻與框架結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系相對復(fù)雜，葉列平[4]等學(xué)者的研究表明：在強(qiáng)烈的地震作用下，填充墻的剛度效應(yīng)和約束效應(yīng)會導(dǎo)致短柱的產(chǎn)生，形成更為嚴(yán)重的剪切破壞。因此不能單純將填充墻作為一種荷載形式加載到結(jié)構(gòu)模型和乘以小于1的周期折減系數(shù)來考慮填充墻的作用。

2.3 柱軸壓比

在地震過程中，柱軸壓比過高容易造成壓潰破壞，對結(jié)構(gòu)的影響甚大。王素裹[5]等學(xué)者建立了實際模型：比較高軸壓比和低軸壓比模型的破壞形態(tài)，表明低軸壓比的結(jié)構(gòu)比高軸壓比的結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)梁端塑性鉸。目前我國的軸壓比限值仍然偏高，對實現(xiàn)結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”不利。

2.4 人為原因造成的梁端鋼筋超配

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中出現(xiàn)人為增大梁端配筋量，而忽視了對柱配筋的考慮，從而造成實際配筋中梁端彎矩遠(yuǎn)大于計算值，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的柱端彎矩小于梁端彎矩，對結(jié)構(gòu)整體抗震性能造成不利。

2.5 其他因素

除了上述影響結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”的因素之外，還有其他因素對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不小的影響，如實際材料強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何尺寸的離散性、結(jié)構(gòu)荷載的不確定性、實際結(jié)構(gòu)與計算模型的差異性、其他非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對主體結(jié)構(gòu)的影響等，但是現(xiàn)在對這些影響因素研究的還不多。

3 實現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的對策

3.1 現(xiàn)澆樓板

考慮現(xiàn)澆樓板與矩形梁共同形成的T形梁來分析研究樓板對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。本文對框架梁采用矩形截面和T形截面兩種模型進(jìn)行分析計算。工程概況為：5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，7度設(shè)防，設(shè)計地震分組第二組，結(jié)構(gòu)抗震等級為三級。縱向4跨，橫向3跨，開間5 m×5 m，層高3.6 m，樓面恒載標(biāo)準(zhǔn)值2 kN/m2，樓面活載標(biāo)準(zhǔn)值2 kN/m2。截面尺寸：柱450 mm×450 mm，矩形梁250 mm×500 mm(圖1)；T形梁，從梁邊取翼緣寬度400 mm(圖2、圖3)。

圖1 矩形截面

圖2 “T”形截面

圖3 “Г”形截面

梁、柱混凝土強(qiáng)度等級C30，樓板采用C25。梁、柱縱筋均為HRB 400級，箍筋采用HPB 300級。為保證兩個模型的總質(zhì)量相同，建模時將樓板與樓板荷載折算成梁間荷載輸?shù)搅荷?。結(jié)構(gòu)設(shè)計按SATWE計算，矩形與“T”形截面框架梁配筋均為：梁端上部1 100 mm2，梁下部600 mm2；柱每側(cè)配筋600 mm2，角部配200 mm2。分別對兩個模型輸入Taft波，Oroville Earl Broadbe波，蘭州人工波(LAN2-2)進(jìn)行動力時程分析：得到最大樓層位移曲線(圖4)、最大層間位移角曲線(圖5)。

(a)“T”形截面框架最大樓層位移曲線

(b)矩形截面框架最大樓層位移曲線

(a)“T”形截面框架最大層間位移角曲線

(b)矩形截面框架最大層間位移角曲線

由最大樓層位移曲線、最大層間位移角曲線可以看出，T形截面梁的最大樓層位移Δ=11.6 mm，矩形截面梁的最大樓層位移Δ=12.4 mm，故T形截面梁比矩形截面梁的抗側(cè)剛度更大。當(dāng)梁的翼緣為400 mm時，對矩形截面梁的抗震性能提高約為7%。通過算例可以發(fā)現(xiàn)，按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計的框架，在考慮中梁與邊梁的抗彎剛度對承載力的增強(qiáng)作用時，要有準(zhǔn)確的認(rèn)知，否則實際結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)弱柱強(qiáng)梁的破壞模式，這與“強(qiáng)柱弱梁”的破壞模式相違背。

3.2 填充墻

目前規(guī)范及現(xiàn)有計算手段尚無法將填充墻對結(jié)構(gòu)剛度的影響進(jìn)行量化分析。何惟雄[10]學(xué)者建議設(shè)計時可以將填充墻按等強(qiáng)度代換的原則換算成較薄的混凝土墻輸入模型中，考察填充墻剛度對整體結(jié)構(gòu)的影響，尤其是在結(jié)構(gòu)體型較為復(fù)雜且填充墻數(shù)量較多的情況下，對于結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制，此方法有一定的參考意義。

3.3 柱軸壓比

袁賢訊[11]等學(xué)者研究表明：要從根本上解決軸壓比限值給設(shè)計帶來的矛盾，應(yīng)從整體結(jié)構(gòu)的延性要求及延性能力兩方面著手，實現(xiàn)延性的定量化設(shè)計。具體方法如下：

(1)柱的延性要求應(yīng)從結(jié)構(gòu)整體失效破壞機(jī)制著手，研究不同破壞機(jī)制的可能性(即失效概率)以及不同破壞結(jié)構(gòu)對各構(gòu)件延性的要求。對于這個問題的研究，需要全面綜合考慮影響失效模式的各種因素。

(2)影響柱子延性的因素除了軸壓比之外，尚有箍筋的形式與數(shù)量、縱向鋼筋配筋率、柱剪跨比、材料強(qiáng)度及變形性能等。細(xì)致分析各種影響因素的重要程度，可以從延性能力上提供一種放寬軸壓比限制的可能性和途徑。

(3)結(jié)合延性能力和延性要求兩方面的研究成果，以“大震不倒”為設(shè)計目標(biāo)，在基于結(jié)構(gòu)延性或結(jié)構(gòu)耗能的抗震設(shè)計方法的框架中調(diào)整軸壓比限值。

4 結(jié)論

(1)考慮現(xiàn)澆板的影響，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50010-2010)對各抗震等級的結(jié)構(gòu)柱端彎矩調(diào)整系數(shù)作出了調(diào)整，對實現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”有一定的提高，但是規(guī)范中沒有明確規(guī)定，具體怎樣把現(xiàn)澆板考慮進(jìn)結(jié)構(gòu)計算中。本文分別對矩形梁和T形梁建立模型，考慮現(xiàn)澆板的貢獻(xiàn)，得出T形截面梁比矩形截面梁的抗側(cè)剛度更大，抗震性能提高。

(2)填充墻對結(jié)構(gòu)剛度影響很大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時僅僅考慮用周期折減系數(shù)來體現(xiàn)填充墻的作用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。用概念設(shè)計理念提出了用等剛度代換的原則來換算填充墻，更能體現(xiàn)出填充墻的作用。

(3)限制柱的軸壓比是為了保證框架柱在受拉破壞時滿足延性要求，適當(dāng)增大柱截面有利于降低軸壓比，對實現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”有很大的幫助。

[1] GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]

[2] GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]

[3] 王娜，吳超.混凝土框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁實現(xiàn)機(jī)制研究分析[J].四川建材，2011,37(1)

[4] 葉列平，曲哲，馬千里，等.從汶川地震框架結(jié)構(gòu)震害談“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制的實現(xiàn)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2008,38(11):52-67

[5] 王素裹，韓小雷，季靜，等.軸壓比對RC框架實現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的影響研究[J].世界地震工程，2010,26(3)

[6] 劉東，黃愛.影響框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”的主要設(shè)計因素及設(shè)計對策[J].四川建筑，2011(3)

[7] 王世普，龐新賓.框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁難以實現(xiàn)的部分原因分析[J].山西建筑，2010,36(27)

[8] Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI318-02) and Commentary (ACI318R-02)[S]. ACI Committee 318,2002

[9] GB 20010-2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[10] 何惟雄.框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁分析及設(shè)計改進(jìn)建議[J].山西建筑，2009,35(9)

[11] 袁賢訊，易偉建.鋼筋混凝土框架“強(qiáng)柱弱梁”及軸壓比限值得概率分析[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2000,22(3)

[12] 葉列平，馬千里，繆志偉.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁設(shè)計方法的研究[J].工程力學(xué)，2010,27(12)