探讨钢筋混凝土结构“强柱弱梁”影响因素及对策

谭小平，杨 虹，于文慧

(西华大学建筑与土木学院，四川成都610039)

建筑界有一句谚语：“梁坏倒两间，柱坏倒大片”。说明在地震中，柱破坏严重程度远远大于梁破坏的情况，体现柱构件在结构设计的重要性。在建筑抗震结构设计中，“强柱弱梁”是抗震设计的基本原则。但在现实中，根据现行规范设计的结构由于设计和施工等因素往往并不能完全满足梁铰机制破坏先于柱铰机制破坏的要求，而出现了“强梁弱柱”这一现象，在历次的国内外大地震中造成了极大的人员伤亡和财产损失，酿成不可弥补的损失。

1 结构设计规范中体现强柱弱梁的措施

《建筑抗震设计规范》(GB 50010-2010)[1]6.2.2条：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式要求：

∑Mc=ηc∑Mb

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：

∑Mc=1.2∑Mbua

式中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。式中其他符号见规范，此处从约。

6.2.3条：一、二、三、四级框架结构的底层，柱下端截面组合的弯矩设计值，应分别乘以增大系数1.7、1.5、1.3和1.2。底层柱纵向钢筋应按上下端的不利情况配置。

按照《建筑抗震设计规范》(GB 50010-2001)[2]设计的建筑，经过2008年汶川地震的检验，发现房屋的破坏机制基本上以“柱铰破坏”的形式为主，达不到结构设计要求的“梁铰破坏”机制，是造成此次地震重大人员伤亡和财产损失的主要原因。从抗震规范上来讲，基本思路是通过控制框架柱端弯矩增大系数ηc来实现结构的“强柱弱梁”。王娜[3]等学者的研究发现，在不改变柱截面的情况下，调整ηc的取值，对结构在破坏时的形态有重要的改变。因此现行规范在2001版抗规[2]基础上相应加强对ηc的控制：抗震等级为一级ηc由1.4变为1.7，抗震等级为二级ηc由1.2变为1.5，抗震等级为三级ηc由1.1变为1.3。

2 影响结构“强柱弱梁”的主要因素和方法

2.1 现浇楼板

以前的设计以预制楼板为主，结构的整体性太差，在地震作用下多数出现了大面积的楼板塌陷的情况。现行结构设计，采用现浇钢筋混凝土楼板。虽然克服了预制板的整体性差的缺点，但却出现了新的问题：首先，在结构计算中，现浇板对结构的作用仅仅通过放大梁的刚度来考虑，但却忽略了现浇板中钢筋对梁的贡献。王世普[7]等学者用实例分析了板钢筋对梁实际承载力的影响，分析结果表明：楼板在最小配筋率的情况下，楼板对梁承载力提高为10%；当板配筋率较高时，对梁受弯承载力的提高超过30%；如果再加上梁本身的实际配筋率比计算配筋率高的部分，累计结果将会大大超过柱端弯矩增大系数，易出现“强梁弱柱”的破坏机制。第二，在结构计算模型假定中[6]，荷载的传递路径是板→梁→柱。但实际上荷载由楼板直接传给柱的情况也不少，导致理论计算的弯矩与实际情况不相符。

现行2010年版《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)中，强调确定弯矩比系数(框架柱端增大系数)来考虑现浇楼板中钢筋的贡献，但规范正文与条文说明中都没有给出明确弯矩比系数的定量方法。

2.2 填充墙

填充墙与纯框架结构的作用非常密切，但目前用现行通用的结构软件PKPM建立模型时，方法是将填充墙转化为均布线荷载加载到梁上，再乘以小于1的周期折减系数来调整结构自振周期。从理论上来讲，此种方法具有一定的合理性，但是在实际中，填充墙与框架结构之间的关系相对复杂，叶列平[4]等学者的研究表明：在强烈的地震作用下，填充墙的刚度效应和约束效应会导致短柱的产生，形成更为严重的剪切破坏。因此不能单纯将填充墙作为一种荷载形式加载到结构模型和乘以小于1的周期折减系数来考虑填充墙的作用。

2.3 柱轴压比

在地震过程中，柱轴压比过高容易造成压溃破坏，对结构的影响甚大。王素裹[5]等学者建立了实际模型：比较高轴压比和低轴压比模型的破坏形态，表明低轴压比的结构比高轴压比的结构更容易出现梁端塑性铰。目前我国的轴压比限值仍然偏高，对实现结构“强柱弱梁”不利。

2.4 人为原因造成的梁端钢筋超配

在结构设计中出现人为增大梁端配筋量，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计算值，出现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。

2.5 其他因素

除了上述影响结构“强柱弱梁”的因素之外，还有其他因素对结构产生不小的影响，如实际材料强度和结构构件几何尺寸的离散性、结构荷载的不确定性、实际结构与计算模型的差异性、其他非结构构件对主体结构的影响等，但是现在对这些影响因素研究的还不多。

3 实现“强柱弱梁”的对策

3.1 现浇楼板

考虑现浇楼板与矩形梁共同形成的T形梁来分析研究楼板对结构抗震性能的影响。本文对框架梁采用矩形截面和T形截面两种模型进行分析计算。工程概况为：5层钢筋混凝土框架结构，7度设防，设计地震分组第二组，结构抗震等级为三级。纵向4跨，横向3跨，开间5 m×5 m，层高3.6 m，楼面恒载标准值2 kN/m2，楼面活载标准值2 kN/m2。截面尺寸：柱450 mm×450 mm，矩形梁250 mm×500 mm(图1)；T形梁，从梁边取翼缘宽度400 mm(图2、图3)。

图1 矩形截面

图2 “T”形截面

图3 “Г”形截面

梁、柱混凝土强度等级C30，楼板采用C25。梁、柱纵筋均为HRB 400级，箍筋采用HPB 300级。为保证两个模型的总质量相同，建模时将楼板与楼板荷载折算成梁间荷载输到梁上。结构设计按SATWE计算，矩形与“T”形截面框架梁配筋均为：梁端上部1 100 mm2，梁下部600 mm2；柱每侧配筋600 mm2，角部配200 mm2。分别对两个模型输入Taft波，Oroville Earl Broadbe波，兰州人工波(LAN2-2)进行动力时程分析：得到最大楼层位移曲线(图4)、最大层间位移角曲线(图5)。

(a)“T”形截面框架最大楼层位移曲线

(b)矩形截面框架最大楼层位移曲线

(a)“T”形截面框架最大层间位移角曲线

(b)矩形截面框架最大层间位移角曲线

由最大楼层位移曲线、最大层间位移角曲线可以看出，T形截面梁的最大楼层位移Δ=11.6 mm，矩形截面梁的最大楼层位移Δ=12.4 mm，故T形截面梁比矩形截面梁的抗侧刚度更大。当梁的翼缘为400 mm时，对矩形截面梁的抗震性能提高约为7%。通过算例可以发现，按现行规范设计的框架，在考虑中梁与边梁的抗弯刚度对承载力的增强作用时，要有准确的认知，否则实际结构可能会出现弱柱强梁的破坏模式，这与“强柱弱梁”的破坏模式相违背。

3.2 填充墙

目前规范及现有计算手段尚无法将填充墙对结构刚度的影响进行量化分析。何惟雄[10]学者建议设计时可以将填充墙按等强度代换的原则换算成较薄的混凝土墙输入模型中，考察填充墙刚度对整体结构的影响，尤其是在结构体型较为复杂且填充墙数量较多的情况下，对于结构扭转效应的控制，此方法有一定的参考意义。

3.3 柱轴压比

袁贤讯[11]等学者研究表明：要从根本上解决轴压比限值给设计带来的矛盾，应从整体结构的延性要求及延性能力两方面着手，实现延性的定量化设计。具体方法如下：

(1)柱的延性要求应从结构整体失效破坏机制着手，研究不同破坏机制的可能性(即失效概率)以及不同破坏结构对各构件延性的要求。对于这个问题的研究，需要全面综合考虑影响失效模式的各种因素。

(2)影响柱子延性的因素除了轴压比之外，尚有箍筋的形式与数量、纵向钢筋配筋率、柱剪跨比、材料强度及变形性能等。细致分析各种影响因素的重要程度，可以从延性能力上提供一种放宽轴压比限制的可能性和途径。

(3)结合延性能力和延性要求两方面的研究成果，以“大震不倒”为设计目标，在基于结构延性或结构耗能的抗震设计方法的框架中调整轴压比限值。

4 结论

(1)考虑现浇板的影响，《建筑抗震设计规范》(GB 50010-2010)对各抗震等级的结构柱端弯矩调整系数作出了调整，对实现“强柱弱梁”有一定的提高，但是规范中没有明确规定，具体怎样把现浇板考虑进结构计算中。本文分别对矩形梁和T形梁建立模型，考虑现浇板的贡献，得出T形截面梁比矩形截面梁的抗侧刚度更大，抗震性能提高。

(2)填充墙对结构刚度影响很大，在结构设计时仅仅考虑用周期折减系数来体现填充墙的作用是远远不够的。用概念设计理念提出了用等刚度代换的原则来换算填充墙，更能体现出填充墙的作用。

(3)限制柱的轴压比是为了保证框架柱在受拉破坏时满足延性要求，适当增大柱截面有利于降低轴压比，对实现“强柱弱梁”有很大的帮助。

[1] GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S]

[2] GB 50011-2001建筑抗震设计规范[S]

[3] 王娜，吴超.混凝土框架结构强柱弱梁实现机制研究分析[J].四川建材，2011,37(1)

[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):52-67

[5] 王素裹，韩小雷，季静，等.轴压比对RC框架实现“强柱弱梁”的影响研究[J].世界地震工程，2010,26(3)

[6] 刘东，黄爱.影响框架结构“强柱弱梁”的主要设计因素及设计对策[J].四川建筑，2011(3)

[7] 王世普，庞新宾.框架结构强柱弱梁难以实现的部分原因分析[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 混凝土结构设计规范[S]

[10] 何惟雄.框架结构强柱弱梁分析及设计改进建议[J].山西建筑，2009,35(9)

[11] 袁贤讯，易伟建.钢筋混凝土框架“强柱弱梁”及轴压比限值得概率分析[J].重庆建筑大学学报，2000,22(3)

[12] 叶列平，马千里，缪志伟.钢筋混凝土框架结构强柱弱梁设计方法的研究[J].工程力学，2010,27(12)