框架结构强柱弱梁的实现

框架结构强柱弱梁的实现

1引言

概念设计对于结构设计来说十分重要，甚至可以说概念设计是结构设计的根本。概念设计有几个重要原则：“强柱弱梁”，“强节点弱构件”，“强剪弱弯”。本文重点讨论框架结构的强柱弱梁问题。

框架结构设计上要求强柱弱梁，以保证结构的延性，用以提高结构的变形能力，防止在强烈地震作用下倒塌。强柱弱梁不仅是手段，也是目的，其手段表现在人们对柱的设计弯矩人为放大，对梁不放大。其目的表现在调整后，柱的抗弯能力比之前强了，而梁不变。即柱的能力提高程度比梁大。这样梁柱一起受力时，梁端可以先于柱屈服。

2规范的相关规定

《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)第6.2.2条规定：一、二、三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（1）

一级框架结构及9度时尚应符合

∑Mc =1 .2∑Mbua（2）

式中各符号意义见规范。

当反弯点不在柱的层高范围内时，柱端截面组合的弯矩设计值可乘以上述柱端弯矩增大系数。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）第6.2.5，第7.2.22条以及《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）第11.3.2条均有相似的规定。

3 问题

但汶川地震的结果并不如预想的一样，如下列图：

4讨论如何从设计上保证强柱弱梁

（1）框架梁端弯矩调幅

由于钢筋混凝土结构具有塑性内力重分布性质，在竖向荷载下可以考虑适当降低梁端弯矩，进行调幅。

优点：①减少负弯矩钢筋的拥挤现象。

②有利于实现强柱弱梁

③减少梁端，增大跨中，梁构件偏于安全。

（2）中梁刚度放大系数

《高规》第5.2.2条规定：在结构内力和位移计算中，现浇楼板和装配整体式楼面中梁的刚度可考虑翼缘的作用予以放大。其建议中梁该系数取2，边梁取1.5。

规范对于梁刚度的放大主要是为了考虑楼板刚度对梁的贡献。因为我们手算、电算的时候是无法考虑楼板对梁的刚度贡献，因此规范规定可通过采用梁刚度放大的方法来近似考虑。

但在实际操作过程中，若对中梁刚度进行放大，一般情况下梁的内力会增加，相应配筋也会变大，因为T形截面的钢筋全配在了矩形截面里。结构有由强柱弱梁往强梁弱柱转化的趋势。

所以建议算梁内力时，中梁刚度放大系数取1.0，算位移时，可以考虑中梁刚度放大。

（3）柱梁的线刚度比

虽然规范没有规定框架结构柱梁线刚度比。但是框架柱作为竖向构件，有必要截面适当的强，对于传递竖向力的水平构件的框架梁也有必要适当的弱。在抗震设防区，框架柱与框架梁的线刚度比宜控制在1.5～2.5范围较为合理。但有些情况不宜实现，往往框架柱与框架梁的线刚度比值还会很小，比如框架柱与井字梁的边梁的线刚度比值。此时建议结合柱轴压比进行控制，轴压比应比规范规定限值要小多些。

（4）控制柱子配筋率

《混凝土结构设计规范》规定柱中全部纵向钢筋的配筋率不宜大于5%。

但本人认为最好控制在1%～2.5%，一方面经济性较好，另一方面说明柱截面尺寸相对合适。当柱配筋较大时说明柱截面尺寸相对较小，带来的必然是柱的线刚度较小。

结论

强柱弱梁概念设计对框架结构的延性及安全性起着重要作用，因为一旦柱端先与梁端出现塑性铰，轻者引起局部坍塌，重者引起整幢楼倒塌。因此结构设计时应充分重视强柱弱梁的实现。本文从结构设计过程中指出应该注意的问题和指标。对结构设计有一定的指导意义。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。