混凝土结构构件受力性能全过程分析

混凝土结构构件受力性能全过程分析

---以强柱弱梁设计原则的框架结构为例

1.先科普一下，为什么希望框架结构的破坏遵循“强柱弱梁”的模式呢？如下图所示（红点表示塑性铰），左边为“强柱弱梁”模式（即梁铰机制），框架结构中的梁端首先屈服，形成塑性铰，耗散地震输入能量，保护框架柱。理论上，当梁端都出铰且柱底也出铰时，结构形成可变机构，这预示着结构的倾倒。而在与之相对的“柱铰机制”中，某一薄弱楼层上的框架柱端部全部出铰，结构随着倒塌。两者相比，在倒塌前，梁铰机制的破坏更加充分的调动了结构中各个部分的能力，整体性较好，有利于控制损伤，避免倒塌。因此在能力设计法中将梁铰机制（或者允许出现梁柱铰混合机制）作为框架结构的预期破坏模式，于是有了所谓的“强柱弱梁”的设计概念。

2.强柱弱梁（strong column and weak beam）指的是使框架结构塑性铰出现在梁端的设计要求。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。 节点处梁端实际受弯承载力 Maby和柱端实际受弯承载力 Macy之间满足: ∑Mc= η∑Mb（ Mc＞ Mb）。研究表明，要真正实现“强柱弱梁”，《抗震规范》第 6.

2. 2 条中的系数 η不小于1. 5。即便如此，目前各国抗震设计都不能实现完全的梁铰机制，在实际结构中，完全“梁铰机制”很难实现，更多的是形成梁、柱铰同时存在的“混合铰机制”。

3.除了力的传递要求其他优点：是因为梁铰分散在各层，即塑性变形分散在各层，不至于形成倒塌机构，而柱铰集中在一层，塑性变形集中，该层成为薄弱层后，易形成倒塌机构; 梁铰的数量远多于柱铰的数量，在同样大小的塑性变形和耗能要求下，对梁铰的塑性转动能力

要求低，对柱铰的塑性转动能力要求高; 梁是受弯构件，容易实现大的延性和耗能能力，柱是压弯构件，尤其是轴压比大的柱，不容易实现大的延性和耗能能力。

4.然而要实现“强梁弱柱”并不容易实现。

4.1“5·12”汶川大地震中，按规范要求所设计的框架结构，规范所要求的“强柱弱梁”破坏形态几乎没有出现，反而出现了很多“强梁弱柱”的破坏形态。

4.2原因两种：1.梁的加强，2.柱的弱化

4.3梁的加强

4.3.1现浇楼板的影响

框架结构中现浇楼板在整个结构中发挥了两大作用: 卸载作用和抗力作用。结构设计师在进行结构整体计算分析时，都是假定荷载传递途径为: 板→梁→柱。目前,我国在结构设计中的一些实际做法是,在考虑楼板对框架梁抗弯刚度提高方面,一般将中梁和边梁的刚度按原框架梁矩形截面刚度乘2.0或1.5。这样,由结构分析得到梁端弯矩比按矩形截面梁的分析结果有所增大,但相应梁端抗弯纵筋仍全部配置在梁矩形截面内,同时楼板仍按自身受力考虑另外在楼板中配筋。而实际上，很多荷载通过楼板的平面外刚度直接传给了柱，这样，根据假定算出来的框架梁弯矩是个“假”弯矩，和实际情况相差很大。《抗震规范》) 第 6. 2. 2 条条文说明指出: 在强震作用下结构构件不存在强度储备，梁端实际达到的弯矩与其受弯承载力是相等的，柱端实际达到的弯矩也与其偏压下的受弯承载力相等。往往造成柱铰先于梁铰。但有一点必须明确: 按规范规定设计的框架结构，只能适度推迟柱端塑性铰的出现，而不能避免出现柱端塑性铰。最终的目的是梁铰机制先于柱铰机制。

上式∑Mc= η∑Mb中η是基于不超过10%梁端钢筋超配条件给出的。蒋永生［1］［2］等曾做过一组现浇混凝土梁柱节点的对比实验,指出带有翼缘的框架梁由于翼缘内平行于梁肋的钢筋参与受力,使得节点支座处的实际负向屈服弯矩比无翼缘梁的实测值提高了20%~30%左右，甚至有些情况下会增大近1倍[3]，已经超过很多情况下柱端弯矩增大系数所包含的梁超强富余（一到四级框架1.7，1.5，1.3，1.2）。

［1］ 唐九如． 钢筋混凝土框架节点抗震［M］． 南京: 东南大学出版社，1989

［2］ 蒋永生，陈忠范，周绪平，等． 整浇梁板的框架节点抗震研究［J］． 建筑结构学报，1994，12( 3)

［3］马千里,叶列平,陆新征,等.现浇楼板对框架结构柱梁强度比的影响研究[C]M汶川地震建筑震害分析与重建研讨会论文集.北京:中国建筑工业出版社,2008.

4.3.2填充墙等非结构构件影响

填充墙的结构功能目标可分为:1)参与结构受力;2)不参与结构受力。对参与结构受力的填充墙,填充墙可作为整体结构第一道抗震防线,与周边框架可靠连接,形成组合墙,并应沿结构竖向连续布置。对不参与结构受力的填充墙,填充墙应与框架柱之间预留足够的间隙,隔离两者的相互作用,保证主体框架结构的受力行为符合设计计算的条件。由于填充墙通常直接在框架梁上砌筑,对框架梁的刚度有很大的增强作用,只有让填充墙先于框架柱端出铰前破坏退出工作(作为第一道防线),才有可能实现强柱弱梁屈服机制。这种设计目标通常会在大震下造成严重的非结构构件破坏,也会造成一定的人员伤亡,更主要的是震后修复工作量很大,费用也很高,并引起人们的心理恐慌。这次地震震害表明,这种设计目标已不能为大多数业主所接受。因此,这种设计目标只能适用于一般不太重要的建筑。另一种可以实现强柱弱梁屈服机制的情况是,结构中填充墙数量并不多,如仅在维护墙中设置,且上下能够连续,内部仍为纯框架结构。此时,最好将填充墙与周边框架形成前述的组合墙。因此设计中应将填充墙作为整体结构抗震的一个重要构件,并在结构抗震分析中给予必要的考虑。如分析中不考虑填充墙的影响,则应在构造措施上隔离填充墙对主体结构的影响,使结构实际受力状况与分析模型一致。

4.3.3梁底钢筋不合理配置的影响

目前，梁详图设计绝大部分都采用国家建筑标准设计图集 11G101( 《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》。设计时，柱左右两端的梁下部钢筋直径很多时候不同，若按《11G101》统一在柱支座处锚固搭接，造成梁柱节点处钢筋过多，从而影响混凝 土的浇筑质量，对实现“强柱弱梁”极为不利。

4.4柱的弱化

4.4.1柱的最小配筋率和最小配箍率偏小

柱的最小配筋率可保证柱的基本受弯承载力,而最小配箍率则可保证对混凝土的基本约束,可使框架柱在发生较大的塑性变形时混凝土抗压强度得以维持,不致很快降低。柱的轴压比限制规定偏高美国ACI规范规定,受压构件中全部受力钢筋的最小总配筋率为1%。

我国混凝土规范（GB50010)2010对一般受压构件规定:全部纵向钢筋的最小总配筋率为0.6%,一侧纵向钢筋的最小配筋率为0.2%，在最小配箍率方面的规定,美国规范与中国规范大体相近,但箍筋直径的规定,美国规范要求明显高于我国通过中美规范的对比表明,美国规范受压构件的配箍特征值约为我国规范的216~310倍。柱最小配筋率和最小配箍率偏小导致柱截面尺寸偏小。

4.4.2柱轴压比限值规定偏高,柱截面尺寸偏小

由于业主和建筑师总是希望柱子越小越好,因此框架柱截面尺寸往往都是紧扣轴压比限值。而规范中柱轴压比限值定得过高,导致框架柱截面尺寸偏，小长细比偏大。

而日本规范对框架柱轴压比限值的规定,换算为我国的情况约为0.33,比我国0.7~0.9的轴压比限值要低很多。

4.4.3大震下结构受力状态与弹性受力状态的差异

“强柱弱梁”是在大震作用下所期望的框架结构屈服机制。由于梁端出现塑性铰后,结构内力分布规律与弹性内力分布规律相比会发生显著变化,将导致框架柱的地震内力进一步增大。根据初步分析,当按整体结构形成强柱弱屈服机制进行分析,柱梁受弯承载力比约为

1.7~2.0,远高于目前规范的柱端弯矩增大系数η。

1)甲类、乙类建筑：当本地区的抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求；当本地区的设防烈度为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。当建筑场地为Ⅰ类时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施；

2)丙类建筑：应符合本地区抗震设防烈度的要求。当建筑场地为I类时，除6度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施.按建筑类别及场地调整后用于确定抗震等级烈度，按调整后的抗震等级烈度。

bbs.99jianzhu.com内容：建筑图纸、PDF/word 流程，表格，案例，最新,施工方案、工程书籍、建筑论文、合同表格、标准规范、CAD图纸等内容。