如何理解“强柱弱梁-强剪弱弯-强节点”

1强柱弱梁1.1“强柱弱梁”的本质指梁柱节点处，柱端实际受弯承载力大于梁端实际受弯承载力。1.2为什么要保证“强柱弱梁”？因为框架结构的变形能力与其破坏机制有很大的关系。研究表明：梁先屈服，即梁端先出现塑性铰，可使整个框架结构产生较大的内力重分布，从而增强结构的耗能能力和极限层间位移，抗震性能较好。若柱先屈服，则可能使整个结构变成几何可变体系，造成结构倒塌。1.3怎样保证“强柱弱梁”？一般采用增大柱端弯矩设计值的方法（框架抗震等级为一、二、三级时，柱端弯矩增大系数分别取1.4、1.2、1.1），PKPM程序自动考虑这一规定。1.4哪些因素导致无法准确实现“强柱弱梁”？①结构内力分析时考虑了楼板的约束作用（梁截面为T形，PKPM中以边梁和中梁的刚度放大系数来考虑），但梁的承载力设计时仍以矩形截面来配筋，并没有考虑楼板的约束作用，低估了梁的承载能力。实际应该这样处理：按T形截面进行的内力分析，就应根据所得的承载力按T形截面进行配筋；或者将按T形截面进行内力分析后所得的承载力除以梁刚度放大系数，然后按矩形截面进行配筋。②梁端配筋采用的是柱中线处的内力，而实际上应该采用柱边的内力，而柱中线处的内力比柱边的内力大约20%，实际上增加了梁端的配筋。③由于设计习惯和钢筋需要归并等原因造成梁配筋的增大。2强剪弱弯2.1“强剪弱弯”的本质指梁、柱和剪力墙底部的斜截面实际受剪承载力大于实际受弯承载力。2.2为什么要保证“强剪弱弯”？因为弯曲破坏是延性破坏，有一定的征兆，如裂缝、挠度等；而剪切破坏是脆性破坏，没有任何预兆突然破坏。所以要保证构件在发生弯曲破坏前不产生剪切破坏。2.3怎样保证“强剪弱弯”？一般采用增大梁端、柱和剪力墙剪力增大系数的方法（框架抗震等级为一、二、三级时，梁端剪力增大系数分别为1.3、1.2、1.1；柱剪力增大系数分别为1.4、1.2、1.1；剪力墙抗震等级为一、二、三级时，剪力墙剪力增大系数分别为1.6、1.4、1.2）。PKPM程序自动考虑这一规定。具体配筋时，可采取以下措施来尽量保证“强剪弱弯”：1，增大箍筋直径，减小箍筋间距。2，必要时，某些构件的箍筋可全长加密，如连梁、短柱等。3，主次梁交接处，设臵附加箍筋和弯起钢筋。3强节点弱构件3.1“强节点弱构件”的本质指节点区域的实际承载力大于构件的实际承载力。3.2为什么要保证“强节点弱构件”？因为节点失效，与之相连的梁柱等构件全部失效，结构也坍塌失效。3.3如何保证“强节点弱构件”？一般通过构造措施来解决，如规定梁纵筋的锚固长度、锚固形式等，详见《混凝土结构设计规范》10.4节梁柱节点。梁的延性靠的是箍筋，箍筋约束混凝土，可延长混凝土从受压到破坏的时间。地震时产生的水平剪力主要靠箍筋来承担，这也是需要提高延性时采用箍筋加密的根本原因。而梁的纵筋主要用来承担竖向荷载产生的弯矩。梁的底面和顶面纵筋的比值是用来提高梁端的塑性转动能力，不是梁延性的主要控制因素。3.4“强梁弱柱”破坏分析抗震设计中,“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱杆件”一直是各国抗震规范所强调的,但汶川地震的实际情况不容乐观。实现“强柱弱梁”,现行规范存在不足。叶列平等[2]就“强柱弱梁”未能实现的原因提出诸多观点,认为出现这一破坏现象的原因有:填充墙等非结构构件的影响;楼板对框架梁的承载力和刚度增大的影响;框架梁跨度和荷载过大,使梁截面尺寸增大,梁端抗弯承载力增大;!梁端超配筋和钢筋实际强度超强;∀柱轴压比限值规定偏高,柱截面尺寸偏小;#柱最小配筋率和最小配箍率偏小;∃大震下结构受力状态与结构弹性受力状态存在差异;%梁柱可靠度的差异。现阶段而言,应主要考虑以下几个方面的因素。3.4.1填充墙等非结构构件影响填充墙作为框架结构的重要组成部分,主要起围护作用,而不作为受力构件存在。但其存在不可避免地影响结构受力性能:结构错层处、楼梯、窗下等部位,填充墙使框架长柱变成短柱,发生剪切破坏;同一楼层间填充墙位臵、数量的变化,在水平方向改变结构的侧向刚度分布,从而改变地震内力的分布;不同楼层间填充墙位臵、数量的变化,在竖直方向改变层间刚度分布,形成“薄弱层”,最终导致“层屈服机制”的出现。现行抗震规范[3]第3.7.4条规定:围护墙和隔墙应考虑对结构抗震的不利影响,避免不合理设臵而导致主体结构的破坏,但未给出如何考虑填充墙对结构抗震不利影响的具体方法。工程计算中常采用考虑非承重墙刚度对结构自振周期的折减系数T来调整结构的自振周期,从而影响地震力的计算,这事实上是远远不够的。笔者通过有限元程序分析一典型框架结构(结构尺寸及布臵如图2,底层层高3.9m,其余为3.3m,共10层,梁、板混凝土强度等级为C30、柱为C35)不同填充墙材料、不同空间布臵时,在Taft地震波、El-Centro地震波和广州人工波作用下的结构地震反应,认为:为了减轻设计人员的工作量，可按以下方法配筋：（a）考虑梁翼缘板的影响时，柱纵筋单边增加3（二级钢），柱箍筋增加量对于小截面框架柱（高度），在箍筋间距200情况下，单边增加0.503(即一级钢)；对于框架柱截面高度大于，柱箍筋可不增加。（b）考虑梁裂缝宽度验算或超配影响时，柱纵筋单边增加50%Agb，Agb为验算裂缝宽度或超配增加的梁面支座钢筋。柱箍筋应计算其增加量。一般情况下，由于有板的有利作用，无须再增加梁支座钢筋的数量。⑵对于大跨度的框架结构，规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较大，梁底筋全部伸入柱内，也形成了强梁。因此框架柱的截面和配筋也应满足强柱弱梁的设计概念。⑶对于4-6.8m跨度的高层框架剪力墙结构，按照规范的轴压比要求设臵柱截面，截面尺寸偏小，有些可达到350×350㎜，需控制最小的截面尺寸，且还须满足梁的纵筋的水平锚固要求；⑷柱纵向钢筋按规范最小配筋率配制钢筋时，柱钢筋直径偏小，很多工程采用Φ14钢筋即可达到要求；设计时未考虑梁翼缘板对梁端承载力提高，不能满足强柱弱梁的设计概念，因此规定柱最小的配筋率和直径的最小值。⑸对于底层空旷（二层以上框架之间有砌体）的建筑，底层结构柱在汶川地震震害非常严重，震害表明，二层以上砌体对侧向刚度贡献还是很大的，这会造成底层和二层以上的刚度比相差较大，底层存在软弱层，设计时