如何理解“強(qiáng)柱弱梁-強(qiáng)剪弱彎-強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”

1強(qiáng)柱弱梁1.1“強(qiáng)柱弱梁〞的本質(zhì)指梁柱節(jié)點(diǎn)處，柱端實(shí)際受彎承載力大于梁端實(shí)際受彎承載力。1.2為什么要保證“強(qiáng)柱弱梁〞？因?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)的變形能力與其破壞機(jī)制有很大的關(guān)系。研究說明：梁先屈服，即梁端先出現(xiàn)塑性鉸，可使整個(gè)框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的內(nèi)力重分布，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耗能能力和極限層間位移，抗震性能較好。假設(shè)柱先屈服，那么可能使整個(gè)結(jié)構(gòu)變成幾何可變體系，造成結(jié)構(gòu)倒塌。1.3怎樣保證“強(qiáng)柱弱梁〞？一般采用增大柱端彎矩設(shè)計(jì)值的方法〔框架抗震等級為一、二、三級時(shí)，柱端彎矩增大系數(shù)分別取1.4、1.2、1.1〕，PKPM程序自動考慮這一規(guī)定。1.4哪些因素導(dǎo)致無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁〞？①結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí)考慮了樓板的約束作用〔梁截面為T形，PKPM中以邊梁和中梁的剛度放大系數(shù)來考慮〕，但梁的承載力設(shè)計(jì)時(shí)仍以矩形截面來配筋，并沒有考慮樓板的約束作用，低估了梁的承載能力。實(shí)際應(yīng)該這樣處理：按T形截面進(jìn)行的內(nèi)力分析，就應(yīng)根據(jù)所得的承載力按T形截面進(jìn)行配筋；或者將按T形截面進(jìn)行內(nèi)力分析后所得的承載力除以梁剛度放大系數(shù)，然后按矩形截面進(jìn)行配筋。②梁端配筋采用的是柱中線處的內(nèi)力，而實(shí)際上應(yīng)該采用柱邊的內(nèi)力，而柱中線處的內(nèi)力比柱邊的內(nèi)力大約20%，實(shí)際上增加了梁端的配筋。③由于設(shè)計(jì)習(xí)慣和鋼筋需要?dú)w并等原因造成梁配筋的增大。2強(qiáng)剪弱彎2.1“強(qiáng)剪弱彎〞的本質(zhì)指梁、柱和剪力墻底部的斜截面實(shí)際受剪承載力大于實(shí)際受彎承載力。2.2為什么要保證“強(qiáng)剪弱彎〞？因?yàn)閺澢茐氖茄有云茐?，有一定的征兆，如裂縫、撓度等；而剪切破壞是脆性破壞，沒有任何預(yù)兆突然破壞。所以要保證構(gòu)件在發(fā)生彎曲破壞前不產(chǎn)生剪切破壞。2.3怎樣保證“強(qiáng)剪弱彎〞？一般采用增大梁端、柱和剪力墻剪力增大系數(shù)的方法〔框架抗震等級為一、二、三級時(shí)，梁端剪力增大系數(shù)分別為1.3、1.2、1.1；柱剪力增大系數(shù)分別為1.4、1.2、1.1；剪力墻抗震等級為一、二、三級時(shí)，剪力墻剪力增大系數(shù)分別為1.6、1.4、1.2〕。PKPM程序自動考慮這一規(guī)定。具體配筋時(shí)，可采取以下措施來盡量保證“強(qiáng)剪弱彎〞：1，增大箍筋直徑，減小箍筋間距。2，必要時(shí)，某些構(gòu)件的箍筋可全長加密，如連梁、短柱等。3，主次梁交接處，設(shè)臵附加箍筋和彎起鋼筋。3強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件3.1“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件〞的本質(zhì)指節(jié)點(diǎn)區(qū)域的實(shí)際承載力大于構(gòu)件的實(shí)際承載力。3.2為什么要保證“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件〞？因?yàn)楣?jié)點(diǎn)失效，與之相連的梁柱等構(gòu)件全部失效，結(jié)構(gòu)也坍塌失效。3.3如何保證“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件〞？一般通過構(gòu)造措施來解決，如規(guī)定梁縱筋的錨固長度、錨固形式等，詳見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》10.4節(jié)梁柱節(jié)點(diǎn)。梁的延性靠的是箍筋，箍筋約束混凝土，可延長混凝土從受壓到破壞的時(shí)間。地震時(shí)產(chǎn)生的水平剪力主要靠箍筋來承當(dāng)，這也是需要提高延性時(shí)采用箍筋加密的根本原因。而梁的縱筋主要用來承當(dāng)豎向荷載產(chǎn)生的彎矩。梁的底面和頂面縱筋的比值是用來提高梁端的塑性轉(zhuǎn)動能力，不是梁延性的主要控制因素。3.4“強(qiáng)梁弱柱〞破壞分析抗震設(shè)計(jì)中,“強(qiáng)柱弱梁〞、“強(qiáng)剪弱彎〞、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件〞一直是各國抗震標(biāo)準(zhǔn)所強(qiáng)調(diào)的,但汶川地震的實(shí)際情況不容樂觀。實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁〞,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)存在缺乏。葉列平等[2]就“強(qiáng)柱弱梁〞未能實(shí)現(xiàn)的原因提出諸多觀點(diǎn),認(rèn)為出現(xiàn)這一破壞現(xiàn)象的原因有:填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響;樓板對框架梁的承載力和剛度增大的影響;框架梁跨度和荷載過大,使梁截面尺寸增大,梁端抗彎承載力增大;!梁端超配筋和鋼筋實(shí)際強(qiáng)度超強(qiáng);?柱軸壓比限值規(guī)定偏高,柱截面尺寸偏小;#柱最小配筋率和最小配箍率偏小;?大震下結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)彈性受力狀態(tài)存在差異;%梁柱可靠度的差異。現(xiàn)階段而言,應(yīng)主要考慮以下幾個(gè)方面的因素。填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件影響填充墻作為框架結(jié)構(gòu)的重要組成局部,主要起圍護(hù)作用,而不作為受力構(gòu)件存在。但其存在不可防止地影響結(jié)構(gòu)受力性能:結(jié)構(gòu)錯(cuò)層處、樓梯、窗下等部位,填充墻使框架長柱變成短柱,發(fā)生剪切破壞;同一樓層間填充墻位臵、數(shù)量的變化,在水平方向改變結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度分布,從而改變地震內(nèi)力的分布;不同樓層間填充墻位臵、數(shù)量的變化,在豎直方向改變層間剛度分布,形成“薄弱層〞,最終導(dǎo)致“層屈服機(jī)制〞的出現(xiàn)?，F(xiàn)行抗震標(biāo)準(zhǔn)[3]第3.7.4條規(guī)定:圍護(hù)墻和隔墻應(yīng)考慮對結(jié)構(gòu)抗震的不利影響,防止不合理設(shè)臵而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞,但未給出如何考慮填充墻對結(jié)構(gòu)抗震不利影響的具體方法。工程計(jì)算中常采用考慮非承重墻剛度對結(jié)構(gòu)自振周期的折減系數(shù)T來調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振周期,從而影響地震力的計(jì)算,這事實(shí)上是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。筆者通過有限元程序分析一典型框架結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)尺寸及布臵如圖2,底層層高3.9m,其余為3.3m,共10層,梁、板混凝土強(qiáng)度等級為C30、柱為C35)不同填充墻材料、不同空間布臵時(shí),在Taft地震波、El-Centro地震波和廣州人工波作用下的結(jié)構(gòu)地震反響,認(rèn)為:(1)填充墻材料性質(zhì)造成其自身剛度的不同,隨填充墻自身剛度減小,對框架抗側(cè)剛度的奉獻(xiàn)減小,依次是標(biāo)準(zhǔn)磚、空心磚、加砌混凝土砌塊,但即使采用低強(qiáng)度砌塊,填充墻剛度對框架結(jié)構(gòu)的影響也不能完全忽略。(2)結(jié)構(gòu)同一層隨隔墻數(shù)量增加,周期減小,結(jié)構(gòu)剛度變大,層間剛度突變越來越不明顯,當(dāng)上下層的隔墻布臵僅有少量差異時(shí),結(jié)構(gòu)周期非常接近,影響很小。(3)令樓層填充墻截面面積與其上相鄰一層填充墻截面面積之比為w,當(dāng)某層w≤45%時(shí),應(yīng)將該層視為“薄弱層〞。為保證有足夠的平安度,實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,建議w不低于60%。(4)“薄弱層〞在底層時(shí),對結(jié)構(gòu)整體性能影響最大,地震力作用下底層發(fā)生破壞的可能性最大;“薄弱層〞往頂層移動,只在“薄弱層〞位臵處位移增大,剛度突變,上下層剛度比增加,但與其上相鄰三層剛度均值之比卻在減小,剛度比不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;“薄弱層〞在頂層時(shí),對結(jié)構(gòu)整體影響最小。(5)“薄弱層〞填充墻的數(shù)量及其在樓層中的位臵是影響自振周期計(jì)算的兩個(gè)主要原因;隨“薄弱層〞位臵不同,填充墻對框架抗側(cè)剛度的參與率不同,隨高度增加而有所減小,建議標(biāo)準(zhǔn)提出考慮填充墻影響的框架抗側(cè)剛度計(jì)算模型。樓板對框架梁承載力及剛度的影響框架結(jié)構(gòu)中,樓板與梁共同澆注,實(shí)際參與梁的受力,一定程度上提高了框架梁的抗彎剛度和承載力。影響現(xiàn)澆樓板對框架梁增強(qiáng)作用程度的主要因素有節(jié)點(diǎn)類型、橫向梁剛度以及側(cè)向位移值[4]。樓板內(nèi)的鋼筋會使框架梁的實(shí)際抗彎承載力增大20%～30%,甚至有些情況下會增大近1倍[5]。但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中僅考慮樓板對框架梁抗彎剛度的提高,將中梁和邊梁的剛度按原框架梁矩形截面剛度乘2.0或1.5的增大系數(shù)。此做法雖然增大了梁端彎矩,但同時(shí)亦增大了梁的配筋,且樓板鋼筋的作用未計(jì)入。因此,要真正實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁〞的設(shè)計(jì)目標(biāo),必須考慮樓板有效翼緣寬度范圍內(nèi),梁受到的增強(qiáng)作用,并將其等效為T形或者形梁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。柱軸壓比的影響文獻(xiàn)[3]規(guī)定,框架結(jié)構(gòu)柱的軸壓比限值在0.7～0.9之間,隨抗震等級提高而減小。與日本標(biāo)準(zhǔn)相比,我國標(biāo)準(zhǔn)的軸壓比要大很多,是其2～3倍。軸壓比限值越高,柱的截面允許尺寸就越小。這一做法雖然能夠滿足使用空間大、美觀經(jīng)濟(jì)的要求,但減小了平安儲藏,同時(shí)降低了梁柱線剛度比,使得“強(qiáng)柱弱梁〞機(jī)制難以實(shí)現(xiàn)。3.5抗震標(biāo)準(zhǔn)對“強(qiáng)柱弱梁〞的考慮現(xiàn)行抗震標(biāo)準(zhǔn)對“強(qiáng)柱弱梁〞的考慮主要通過調(diào)整梁端柱端彎矩的比值來控制。由于地震的復(fù)雜性、樓板的影響、鋼筋屈服強(qiáng)度的超強(qiáng),難以通過精確的計(jì)算真正實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁〞。標(biāo)準(zhǔn)最新修訂稿[6]即送審稿對上述條款作了適當(dāng)調(diào)整,提高了框架結(jié)構(gòu)的柱端彎矩增大系數(shù),從原先的“一級取1.4、二級取1.2、三級取1.1〞,提高到“一級取1.7、二級取1.5、三級取1.3;其他結(jié)構(gòu)類型中的框架,一級取1.4、二級取1.2、三、四級取1.1〞。為了防止底層柱底過早出現(xiàn)塑性屈服,對原先的“一、二、三級框架結(jié)構(gòu)的底層,柱下端截面組合的彎矩設(shè)計(jì)值,應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.5、1.25和1.15〞,提高到“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(jì)值,應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.7、1.5、1.3和1.2〞。同時(shí)指出,要真正實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁〞,除了按實(shí)際配筋計(jì)算外,還應(yīng)計(jì)入梁兩側(cè)有效翼緣范圍樓板鋼筋的影響。所以送審稿雖在一定程度上加大了框架柱的配筋量,但能否真正實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁〞,尚存在疑問。送審稿(文獻(xiàn)[6])同時(shí)修改了框架結(jié)構(gòu)的抗震等級確定條件,將文獻(xiàn)[3]中以30m為界限區(qū)分不同設(shè)防烈度區(qū)域的抗震等級,改為以24m作為界限高度;并將柱軸壓比限值,從原先的一級取0.7、二級取0.8、三級取0.9,降低為一級取0.65、二級取0.75、三級取0.85。這對24～30m高的框架結(jié)構(gòu)來講,承載力得到較大提升,同時(shí),柱軸壓比限值的減小一定程度上提升了柱的承載力和剛度。此外,送審稿從“強(qiáng)剪弱彎〞角度出發(fā),提高了柱剪力增大系數(shù):由原先的一級取1.4、二級取1.2、三級取1.1,提高到一級取1.5、二級取1.3、三級取1.2。“強(qiáng)柱弱梁〞破壞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)受到眾多實(shí)際因素的制約,必須進(jìn)一步研究填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對梁柱剛度的影響并表到達(dá)設(shè)計(jì)計(jì)算中去;必須進(jìn)一步研究現(xiàn)澆樓板對梁剛度和承載力的影響,并在實(shí)際設(shè)計(jì)中予以考慮;還需要更為嚴(yán)格地限制柱的軸壓比,以提高柱的剛度至合理范圍。建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)送審稿雖然提高了柱的彎矩增大系數(shù)和剪力增大系數(shù),同時(shí)降低了判別框架結(jié)構(gòu)抗震等級的界限高度,使柱承載力得到提高。算例柱的抗彎承載力提升10.8%～33.1%,抗剪承載力提升11.1%～19.3%,但仍“只在一定程度上減緩柱端的屈服〞。在柱承載力提高的同時(shí),結(jié)構(gòu)造價(jià)有所提高,總造價(jià)增加19.9%左右。3.6保證強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的概念設(shè)計(jì)為了保證強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)概念，設(shè)計(jì)中應(yīng)滿足如下要求：⑴實(shí)配柱縱筋和箍筋時(shí)，應(yīng)考慮梁翼緣板的作用和梁裂縫寬度驗(yàn)算或超配而增加梁縱筋的影響。⑵對于大跨度的框架結(jié)構(gòu)，框架柱的線剛度須大于框架梁的線剛度的1.1倍。⑶高層建筑結(jié)構(gòu)柱的最小截面不應(yīng)小于350×400，且須滿足梁鋼筋的水平錨固的要求。⑷框架柱縱向鋼筋的最小配筋率，應(yīng)比《建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的最小配筋率提高0.2%，框架柱縱向鋼筋直徑宜≥16㎜。⑸對于底層空曠〔如架空層、商場、騎樓等〕，二層以上框架之間有砌體的框架建筑，須考慮二層以上砌體的側(cè)面剛度，底層應(yīng)布臵適量的剪力墻或支撐，控制底層和二層的剛度比，底層豎向構(gòu)件地震剪力應(yīng)乘以1.15的放大系數(shù)。(6)剪力墻豎向分布鋼筋直徑應(yīng)≥10㎜，剪力墻邊緣構(gòu)件〔暗柱〕鋼筋直徑應(yīng)≥14㎜汶川地震震害說明，結(jié)構(gòu)柱底或柱頂破壞嚴(yán)重，未能表達(dá)強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)概念，由于梁翼緣板和梁裂縫寬度驗(yàn)算增加的梁縱筋的作用，低估了梁端的承載力，相對高估了柱端承載力，因此在實(shí)配柱縱筋和箍筋時(shí)，應(yīng)考慮這局部梁縱筋的影響：柱增加的單向縱筋和箍筋可按以下簡化計(jì)算確定：為了減輕設(shè)計(jì)人員的工作量，可按以下方法配筋：〔a〕考慮梁翼緣板的影響時(shí)，柱縱筋單邊增加3〔二級鋼〕，柱箍筋增加量對于小截面框架柱〔高度〕，在箍筋間距200情況下，單邊增加0.503(即一級鋼)；對于框架柱截面高度大于，柱箍筋可不增加?！瞓〕考慮梁裂縫寬度驗(yàn)算或超配影響時(shí)，柱縱筋單邊增加50%Agb，Agb為驗(yàn)算裂縫寬度或超配增加的梁面支座鋼筋。柱箍筋應(yīng)計(jì)算其增加量。一般情況下，由于有板的有利作用，無須再增加梁支座鋼筋的數(shù)量。⑵對于大跨度的框架結(jié)構(gòu)，規(guī)定了柱截面的最小尺寸，由于梁跨度大，梁截面和梁跨中底筋較大，梁底筋全部伸入柱內(nèi)，也形成了強(qiáng)梁。因此框架柱的截面和配筋也應(yīng)滿足強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)概念。⑶對于4-6.8m跨度的高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，按照標(biāo)準(zhǔn)的軸壓比要求設(shè)臵柱截面，截面尺寸偏小，有些可到達(dá)350×350㎜，需控制最小的截面尺寸，且還須滿足梁的縱筋的水平錨固要求；⑷柱縱向鋼筋按標(biāo)準(zhǔn)最小配筋率配制鋼筋時(shí)，柱鋼筋直徑偏小，很多工程采用Φ14鋼筋即可到達(dá)要求；設(shè)計(jì)時(shí)未考慮梁翼緣板對梁端承載力提