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強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件

結構設計中,為了達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防要求,我們需要從多方面對工程設計進行把控,其中“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件”是框架部分抗震設計應遵守的重要原則。考慮到鋼筋混凝土框架由于自身特性,它的抗地震倒塌能力與其破壞機制密切相關,故根據上述原則,我們期望當大震作用時框架能夠按如下方式發生破壞:

1)梁先于柱破壞。梁的破壞是構件破壞,屬于局部性的破壞,而豎向構件的破壞會危及整體結構的安全性,造成結構倒塌,故柱比梁重要,最先保證柱的安全;

2)保證構件的抗剪能力應好于抗彎能力。“剪切破壞”是一種脆性破壞,沒有預兆,瞬時發生;“彎曲破壞”是延性破壞,是有所預兆的,工程中我們需要避免發生剪切破壞,在彎曲破壞之前不發生剪切破壞;

3)節點的承載力應高于連接的構件,如果節點發生破壞則意味著與之連接的梁柱均失效。

然而,現實中的效果并非如預期設想。以汶川地震為例,震害現場調查發現:柱剪切破壞嚴重,梁柱節點區破壞嚴重;框架柱上下端出現塑性鉸,我們幾乎沒有看到設計規范所要求的強柱弱梁破壞機制的出現,典型震害現場如下圖:

造成這種問題的因素很多,例如設計計算的缺陷、抗震構造的不合理和理論研究的滯后等,本文將結合規范,分析其計算方法及影響因素,并詳細介紹如何體現“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件”設計。

規范規定

1強柱弱梁的相關規定

《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)(以下簡稱《抗震規范》)第6.2.2條:一、二、三、四級框架的梁柱節點處,除框架頂層和柱軸壓比小于0.15者及框支梁與框支柱的節點外,柱端組合的彎矩設計值應符合下式要求:

一級的框架結構和9度的一級框架可不符合上式要求,但應符合下式要求:

當反彎點不在柱的層高范圍內時,柱端截面組合的彎矩設計值可乘以上述柱端彎矩增大系數。

同理《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)(以下簡稱《高規》)6.2.1、6.2.2、10.2.11條、《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)(以下簡稱《混凝土規范》)11.4.1條。

為避免出現框架結構柱下端過早屈服,影響整個結構的抗倒塌能力,需對結構底層乘以彎矩增大系數,即《抗震規范》6.2.3條:一、二、三、四級框架結構的底層,柱下端截面組合的彎矩設計值,應分別乘以增大系數1.7、1.5、1.3和1.2.底層柱縱向鋼筋應按上下端的不利情況配置。

由上文可知,規范提出的方法是:

1)柱端彎矩設計值增大系數法,將梁、柱之間的承載力不等式轉為梁、柱的地震組合內力設計值的關系式,并使不同抗震等級的柱端彎矩設計值有不同程度的差異;

2) 針對一級框架采用考慮梁端實配鋼筋面積和材料強度標準值計算的抗震受彎承載力確定柱端彎矩設計值方法,考慮樓板鋼筋可提高“強柱弱梁”程度。

2強剪弱彎的相關規定

《抗震規范》第6.2.5條 一、二、三、四級的框架柱和框支柱組合的剪力設計值應按下式調整:

一級的框架結構和9度的一級框架可不按上式調整,但應符合下式要求:

《抗震規范》第6.2.4條 一、二、三級的框架梁和抗震墻的連梁,其梁端截面組合的剪力設計值應按下式調整:

一級的框架結構和9度的一級框架梁、連梁可不按上式調整,但應符合下式要求:

同理《高規》6.2.5條、7.2.21條,《混凝土規范》11.4.3條。

規范考慮“強剪弱彎”設計如“強柱弱梁”設計,不同抗震等級的梁、柱采用不同剪力增大系數,同樣考慮材料實際強度和鋼筋實際面積兩個因素的影響。

3強節點弱構件的相關規定

《高規》6.2.7條 抗震設計時,一、二、三級框架的節點核心區應進行抗震驗算;四級框架節點可不進行抗震驗算。各抗震等級的框架節點均應符合構造措施的要求。

目前《混凝土規范》11.6小節,《抗規》附錄D均提供具體的節點核心區驗算方法。

強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件”設計的影響因素

目前我國現行規范對強柱弱梁設計的規定,是基于縱筋實配不超過計算配筋10%的前提給出的。但鑒于地震影響的復雜性,難以精確考慮,10%的鋼配超筋也并非代表工程設計中的實際情況,因此“即使按強柱弱梁設計的框架,在強震作用下,柱端仍有可能出現塑性鉸”為了盡量避免出現這種情況,我們需要分析其主要影響因素,以便有的放矢的控制強柱弱梁設計:

1梁端鋼筋超配和鋼筋實際強度超強

1)根據上文式(1)可知,梁端負彎矩越大,則對框架柱的要求越高,適當降低梁端負彎矩,有利于強柱弱梁的實現;

2)在我們的設計中下筋是正彎矩受拉筋和負彎矩受壓筋,最終面積包絡取二者較大值,當梁底配筋由梁跨中正彎矩控制時,會導致梁端下部鋼筋過多,造成梁端正彎矩超配;

3)實際工程設計中,實配鋼筋通常會大于計算鋼筋,如果大于10%超配系數的前提,則更不利于推遲柱端塑性鉸;

4)一些國家的設計規范對預期塑性鉸部位的鋼筋材性指標有更為嚴格的規定,我國暫時還沒有具體規定,但實際工程可能出現超強的情況。

2樓板影響

《抗規》6.2.2條條文說明提到“當計算梁端抗震受彎承載力時,若計入樓板的鋼筋,則可提高框架強柱弱梁的程度”,但如何考慮并沒有更為具體的規定。

當我們為了體現樓板與梁共同工作,常在設計中采用梁剛度放大系數法來考慮樓板對框架梁抗彎剛度的提高,但這樣會導致計算分析后得到的梁端彎矩比按矩形

截面梁處理的結果偏大,因為配筋的時候是將這樣計算得到的縱筋結果全部配置在矩形截面內,且樓板設計時重疊鋼筋面積也沒有被扣除,所以無形會導致梁鋼筋出現超配。

國內外許多試驗表明,樓板內的鋼筋會使框架梁的實際抗彎承載力增大20~30%,甚至更多,即便不考慮其他因素,樓板配筋對框架梁端實際受彎承載力的增大幅度,對于大多二、三級框架,都會超出規范規定的柱端彎矩增大系數,乃至一級框架也可能會不滿足強柱弱梁要求。

3壓彎破壞降低柱抗剪承載力

在柱強剪弱彎的設計方面,即使柱端首先發生彎曲形成塑性鉸,巨大的軸壓也容易使混凝土壓潰而發生剝離脫落,從而嚴重削弱柱端抗剪能力,出現剪切破壞。因此,需要考慮壓彎破壞對柱端抗剪承載力降低的影響,采用相關的構造技術,防止柱混凝土強度退化,充分保證“強剪弱彎”

結束語

“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件”是結構設計所需遵守的重要原則,它們的屈服機制是地震來臨時,我們理想的、所期望的,但現實中有很多因素導致其實現的可能性降低。作為結構設計人員,應該充分認識理解這些影響因素,吸取地震災害的經驗教訓,從工程的實際受力狀況考慮,采用合理的軟件計算模型和分析方法,將這些影響因素納入整體結構設計計算中,保證“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件”屈服機制的實現。

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