如何理解“強柱弱梁-強剪弱彎-強節(jié)點”

1強柱弱梁1.1“強柱弱梁”的本質指梁柱節(jié)點處，柱端實際受彎承載力大于梁端實際受彎承載力。1.2為什么要保證“強柱弱梁”？因為框架結構的變形能力與其破壞機制有很大的關系。研究表明：梁先屈服，即梁端先出現(xiàn)塑性鉸，可使整個框架結構產(chǎn)生較大的內力重分布，從而增強結構的耗能能力和極限層間位移，抗震性能較好。若柱先屈服，則可能使整個結構變成幾何可變體系，造成結構倒塌。1.3怎樣保證“強柱弱梁”？一般采用增大柱端彎矩設計值的方法（框架抗震等級為一、二、三級時，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哪些因素導致無法準確實現(xiàn)“強柱弱梁”？①結構內力分析時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），但梁的承載力設計時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。實際應該這樣處理：按T形截面進行的內力分析，就應根據(jù)所得的承載力按T形截面進行配筋；或者將按T形截面進行內力分析后所得的承載力除以梁剛度放大系數(shù)，然后按矩形截面進行配筋。②梁端配筋采用的是柱中線處的內力，而實際上應該采用柱邊的內力，而柱中線處的內力比柱邊的內力大約20%，實際上增加了梁端的配筋。③由于設計習慣和鋼筋需要歸并等原因造成梁配筋的增大。2強剪弱彎2.1“強剪弱彎”的本質指梁、柱和剪力墻底部的斜截面實際受剪承載力大于實際受彎承載力。2.2為什么要保證“強剪弱彎”？因為彎曲破壞是延性破壞，有一定的征兆，如裂縫、撓度等；而剪切破壞是脆性破壞，沒有任何預兆突然破壞。所以要保證構件在發(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，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，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，可采取以下措施來盡量保證“強剪弱彎”：1，增大箍筋直徑，減小箍筋間距。2，必要時，某些構件的箍筋可全長加密，如連梁、短柱等。3，主次梁交接處，設臵附加箍筋和彎起鋼筋。3強節(jié)點弱構件3.1“強節(jié)點弱構件”的本質指節(jié)點區(qū)域的實際承載力大于構件的實際承載力。3.2為什么要保證“強節(jié)點弱構件”？因為節(jié)點失效，與之相連的梁柱等構件全部失效，結構也坍塌失效。3.3如何保證“強節(jié)點弱構件”？一般通過構造措施來解決，如規(guī)定梁縱筋的錨固長度、錨固形式等，詳見《混凝土結構設計規(guī)范》10.4節(jié)梁柱節(jié)點。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間。地震時產(chǎn)生的水平剪力主要靠箍筋來承擔，這也是需要提高延性時采用箍筋加密的根本原因。而梁的縱筋主要用來承擔豎向荷載產(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動能力，不是梁延性的主要控制因素。3.4“強梁弱柱”破壞分析抗震設計中,“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節(jié)點弱桿件”一直是各國抗震規(guī)范所強調的,但汶川地震的實際情況不容樂觀。實現(xiàn)“強柱弱梁”,現(xiàn)行規(guī)范存在不足。葉列平等[2]就“強柱弱梁”未能實現(xiàn)的原因提出諸多觀點,認為出現(xiàn)這一破壞現(xiàn)象的原因有:填充墻等非結構構件的影響;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際強度超強;?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;?大震下結構受力狀態(tài)與結構彈性受力狀態(tài)存在差異;%梁柱可靠度的差異。現(xiàn)階段而言,應主要考慮以下幾個方面的因素。3.4.1填充墻等非結構構件影響填充墻作為框架結構的重要組成部分,主要起圍護作用,而不作為受力構件存在。但其存在不可避免地影響結構受力性能:結構錯層處、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,在水平方向改變結構的側向剛度分布,從而改變地震內力的分布;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”,最終導致“層屈服機制”的出現(xiàn)?，F(xiàn)行抗震規(guī)范[3]第3.7.4條規(guī)定:圍護墻和隔墻應考慮對結構抗震的不利影響,避免不合理設臵而導致主體結構的破壞,但未給出如何考慮填充墻對結構抗震不利影響的具體方法。工程計算中常采用考慮非承重墻剛度對結構自振周期的折減系數(shù)T來調整結構的自振周期,從而影響地震力的計算,這事實上是遠遠不夠的。筆者通過有限元程序分析一典型框架結構(結構尺寸及布臵如圖2,底層層高3.9m,其余為3.3m,共10層,梁、板混凝土強度等級為C30、柱為C35)不同填充墻材料、不同空間布臵時,在Taft地震波、El-Centro地震波和廣州人工波作用下的結構地震反應,認為:為了減輕設計人員的工作量，可按以下方法配筋：（a）考慮梁翼緣板的影響時，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。（b）考慮梁裂縫寬度驗算或超配影響時，柱縱筋單邊增加50%Agb，Agb為驗算裂縫寬度或超配增加的梁面支座鋼筋。柱箍筋應計算其增加量。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構，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，也形成了強梁。因此框架柱的截面和配筋也應滿足強柱弱梁的設計概念。⑶對于4-6.8m跨度的高層框架剪力墻結構，按照規(guī)范的軸壓比要求設臵柱截面，截面尺寸偏小，有些可達到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柱縱向鋼筋按規(guī)范最小配筋率配制鋼筋時，柱鋼筋直徑偏小，很多工程采用Φ14鋼筋即可達到要求；設計時未考慮梁翼緣板對梁端承載力提高，不能滿足強柱弱梁的設計概念，因此規(guī)定柱最小的配筋率和直徑的最小值。⑸對于底層空曠（二層以上框架之間有砌體）的建筑，底層結構柱在汶川地震震害非常嚴重，震害表明，二層以上砌體對側向剛度貢獻還是很大的，這會造成底層和二層以上的剛度比相差較大，底層存在軟弱層，設計時