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RC框架结构强柱弱梁影响因素的探讨与分析图文

第20卷第4期2010年8月

茂名学院学报

JOURNALOFMAOMINGUNⅣERSITY

V01.20No.4Aug.2010

RC框架结构“强柱弱梁"影响因素的探讨与分析

高晓鹏1,杜宏彪2,管民生1,郑昊1,蔡龙3

（1.广东工业大学土木与交通工程学院,广东广州511006;2.深圳大学土木工程学院,,广东深圳518060;

3.茂名学院建筑工程学院,广东.茂名,525000

摘要:

结合“5.12”汶川大地震的震害分析,分析探讨了钢筋混凝土框架结构所出现的“强梁弱柱”破坏。

利用对国内外研究成果的分析和总结,寻求影响“强梁弱柱”破坏的主要因素,以便确定合理的柱梁的抗弯承载力来满足“强柱弱梁”的设计要求,并指出了今后如何满足“强柱弱梁”的研究方向,同时给出了影响“强柱弱梁”的三个关键因素,而对于这些因素如何具体应用到框架结构中则有待进一步探讨。

关键词:

钢筋混凝土框架结构;强柱弱梁;现浇楼板;楼板有效翼缘宽度

中图分类号:

TU375.4文献标识码:

A文章编号:

1671—6590（201004一0039—05

1研究背景

“5.12”汶川大地震是新中国成立以来,破坏性最强,涉及范围最大的一次地震,震中位于汶川县映秀镇,震源深度约10~20kin,震中距50kin。

专家组在对汶川地震的震害分析…中指出:

在高烈度区,理论上抗震性能较好的钢筋混凝土结构倒塌了,而抗震性能相对较差的砌体结构却“裂而不倒”;抗震设计要求钢筋混凝土框架结构的“梁铰机制”没有出现,而是出现了大量的“柱铰”;柱端铰大多有混凝土压坏现象,有混凝土强度低的问题。

另外,框架梁跨度过大使得其截面尺寸增大,影响楼板对框架梁的刚度和承载力的贡献;由于建筑需要在框架梁的砌体或填充墙的刚度增强等使框架梁或屋盖的实际刚度增大;而规范对框架柱轴压比限值过高等,使得框架柱的截面尺寸偏小,从而出现柱铰。

与此同时,在唐山地震中,根据对48幢框架结构的统计结果,也发现多数框架结构的破坏也是先形成柱铰,再形成梁铰。

然而,我们所期望的破坏机制是“梁铰型”破坏机制,而非“柱铰型”机制。

所以我们有必要对影响“强柱弱梁”的因素加以探讨与思考,寻求这些因素,来确定出最佳的柱端弯矩影响系数,从而来满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设计方针。

我国从抗震规范GBJ89—1（简称89规范起就对“强柱弱梁”型采取了措施,颁布实施的《混凝土结构设计规范》（GB50010--2002和《建筑抗震设计规范》（GB500ll一2001提高了“强柱弱梁”的弯矩增大系数,规定9度及一级框架结构应考虑框架梁的实际受弯承载力,并在《建筑抗震设计规范》条文说明中指出弯矩增大系数,考虑了一定的超配钢筋和钢筋超强。

然而对框架梁翼缘现浇板内与梁肋平行的钢筋参与梁端负弯矩承载能力的问题,新规范仍未作明确的规定,只是在《建筑抗震设计规范>条文说明中附带指出,当计算梁端抗震承载力时,若计人楼板内的钢筋,且材料强度标准值考虑一定的超强系数,则可以提高框架结构“强柱弱梁”的程度。

由于我国规范对这方面的有关问题至今仍未明确,故在考虑板筋参与问题上与其他的国家的思路有差别。

其中新西兰规范明确规定,在进行梁端截面抗负弯矩设计时,即确定设计所需的负弯矩钢筋时,可以考虑板有效宽度范围内的与梁肋平行的上板面和下板面板筋作为负弯矩受拉钢筋的组成部分。

美国ACI规范,加拿大CSA规范以及欧共体EC8规范在作梁端抗负弯矩截面设计时与中国思路一样,未要求考

收疆日期:

20IO一05—12;修回日期:

2010—06一08

作者简介:

高晓鹏（1985一,男.河南安阳人,在读研究生,研究方向:

钢筋混凝土框架结构的抗震性能。

.40茂名学院学报2010年虑板筋。

但与我国规范不同的是,我国规范是将设计所需的梁端负弯矩筋与无现浇板的框架梁一样布置在梁肋顶部的宽度范围内,而这三本规范规定梁端计算出的负弯矩筋除了大部分应放在肋宽范围内,少部分则可放在规范规定的一定板宽范围内。

从VA_/:

规定可以看出,国外各规范之间除个别地方相似外,规定的方式和具体数值有较大差别,因此有必要对各国规定的背景资料加以综合分析,并考虑我国规范的具体

情况,才能得出适用于我国设计界的有效建议。

-4

2国内外研究现状

国内外采用不同的分析方法,从不同的影响因素对强柱弱梁做了研究,目的是确定合理的梁柱强度比,来避免“强梁弱柱”的形成,本文总结了国内外的研究现状,以便进一步研究“强柱弱梁”机制。

美国学者R.Clough对一个20层钢筋混凝土框架结构进行弹塑性地震反应分析表明,梁、柱的强弱是相对的,当某个构件的屈服强度和设计内力更为接近时,在地震作用下就有可能首先屈服,成为较弱的构件;梁、柱相对强度改变时,会有不同的地震反应。

梁的强度对柱的延性比有影响,梁的强度愈高,对柱子的延性要求也愈高;而对柱子的强度分析表明,随着柱延性比增加,梁的延性要求反而降低。

这种强梁弱柱结构是不安全的。

美国学者FRENCHCW和MoehleJP[21指出,计算梁端抗弯承载力时,考虑受压时楼板翼缘或受拉时楼板钢筋的贡献,梁端承载力将比仅仅计算矩形截面的梁端承载力要高。

Durrani等b1进行了6个3/4模型的梁柱外部构件实验,板筋的存在对于梁的抵抗负弯矩能力提高可达到70%。

对于横梁在试验过程中达到了抗扭屈服极限时,板的有效宽度为柱宽加上两倍直交梁深度。

Pantazopottlou等H1建议了一种确定板的有效宽度的理论方法,该方法首先假设了在板截面中的非线性应变分布函数,然后根据钢筋性能、梁中最大应变和板的最大宽度导出一个有效板宽的表达式,并给出了适用中间节点和端节点的不同模型。

清华大学、西安交通大学、北京交通大学土木工程专家组…通过对汶川地震的震害分析指出:

由于楼板的增强作用、建筑需要在框架梁上增加砌体或填充墙的增强作用、增大上部结构的刚度等,使得框架梁或屋盖的实际刚度增大,在实际框架结构震害中,很少看到“强柱弱梁”型破坏。

朱少云等b1从单质点体系理想的荷载一变形关系曲线出发,引出“强柱弱梁”原则是延性框架结构设计的关键,围绕这个问题来进行“强柱弱梁”设计,指出“强柱弱梁”设计原则不是通过增加柱梁刚度比,而是通过降低梁的相对强度、提高柱的相对强度来实现的。

张海燕№1从构件层次和结构体系层次对“强柱弱梁”进行了概率分析,指出抗震等级越高,柱弯矩增大系数越大,轴压比限值越小,梁的界限受压区高度越小,从而使柱端形成塑性铰的概率减小,梁端出现塑性铰的概率增大,从而增大了“强柱弱梁”的形成概率。

秦朝江o”等通过对“强柱弱梁”的影响因素的分析,指出为了满足“强柱弱梁”的抗震设计要求,柱端设计弯矩均应按梁端截面实配钢筋的抗震受弯承载力进行调整放大,而且在进行抗震设计时,应考虑框架梁的塑性内力重分布,对梁端负弯矩进行适当调幅,同时应采用柱边缘所对应的梁端弯矩设计值进行截面配筋及裂缝验算。

另外需要合理控制框架梁底部钢筋伸入框架柱的数量,来避免钢筋过多带来的超强刚度的影响,尤其应该考虑现浇楼板及其配筋对梁端截面受弯承载力的影响。

王亚勇旧1通过对5・12汶川大地震的震害调查指出:

由于地震的复杂性,现浇楼板的影响和钢筋屈服时的超强等因素的影响,难以实现“强柱弱梁”的破坏机制,这也引出应该根据这些因素来提高柱端弯矩增大系数从而达到梁铰机制。

胡庆昌旧1重点探讨“强柱弱梁”设计准则应用于延性框架设计,延性框架设计根据能力设计（CapacityDesign原理采用“强柱弱粱”准则。

而柱的“能力设计”有若干不稳定因素:

钢材应变硬化增大梁的受弯承载力;与粱相连楼板的配筋增大梁的受弯承载力;由于地震引起轴力大于线性分析的结果,导致柱受弯承载力降低;非弹性反应中,柱反弯点的变化;柱的双轴受弯作用。

由于目前的规范不能包括以上所有不确

第4期高晓鹏等:

RC框架结构“强柱弱粱”影响因素的探讨与分析.41蔡健等h州在简要分析影响粱柱强弱因素的基础上,评估了不同柱端弯矩增大系数取值对RC框架结构的抗震性能的影响,给出影响RC框架结构梁柱强弱的因素主要有材料的非线性特征、框架柱的轴压比、楼板的有效参与作用、填充墙以及钢筋的超配量等;同时通过对3层和6层的框架结构为研究对象表明当柱端弯矩增大系数大于2.0时,框架结构才能达到可以接受的形成“柱铰机构”概率。

马宏旺等[I¨考虑材料强度、几何尺寸和计算模式的不确定性以及梁纵筋的超强影响,通过对某6层钢筋混凝土框架结构,分析了不同柱端弯矩增大系数下结构的整体失效概率,采用投资一效益准则,提出确定柱端弯矩增大系数的方法。

同时建议在实际设计时可以适当地增加柱端弯矩增大系数,而柱端弯矩增强系数以1.6为最优。

黎双伟h21通过对强柱弱梁以及轴压比的概率分析,指出不同抗震等级的框架柱失效概率相差较大。

按“强柱弱梁”设计思想,柱梁问失效概率的差异问接地反应了柱、梁形成塑性铰顺序,限制轴压比是为了保证框架柱在大偏压状态下破坏以满足延性要求,以满足“强柱弱梁”的要求。

易伟建等¨川通过引入基于失效概率的结构优化模型和结构失效损失期望值,并结合单跨两层平面混凝土框架,对现行抗震设计规范的“强柱弱梁”弯矩增大系数的取值进行校核,得出柱端弯矩增大系数的合理取值约为1.4,底层柱下端弯矩增大系数则约为1.35。

苏小卒等¨4’探讨了运用轴压比限制来满足“强柱弱梁”的要求,指出对柱轴压比限制能达到使柱的破坏状态为大偏心破坏的目的,同时满足强柱弱梁的条件。

管民生等¨列利用pushover方法对框架结构进行了分析研究,在分析中分别考虑和不考虑现浇楼板及其钢筋对梁抗弯承载力的贡献,得出考虑现浇楼板参与工作后,按现行规范方法进行抗震设计不一定能保证实现“强柱弱梁”的要求,结构有较大可能出现柱铰机制。

同时,在抗震设计过程中,为了保证结构的安全,框架梁端抗弯承载力宜计入受压时楼板翼缘或受拉时楼板内钢筋的贡献。

韦锋等n61为了识别强柱弱梁措施的实际抗震控制效果,对影响框架结构梁、柱端抗弯能力及二者相对强度的因素进行了分析归纳,得出以下结果:

按规范现行的强柱弱梁措施,以承载能力极限状态的抗弯能力为基点,在未考虑板筋对梁端抗负弯矩能力的贡献的前提下,严格按规范设计的结构计算所形成7度区框架的柱梁强度级差系数明显偏小。

吴应雄H引根据多层钢筋混凝土框架柱在汶川地震中的震害情况,分析了柱的破坏情况和现行规范对强柱弱梁的设计规定,指出“强柱弱梁”的破坏机制由于现浇楼板对框架梁的承载力和刚度增大的影响,实现预期的梁铰机制几乎不可能。

王洪涛等¨81针对钢筋混凝土框架,认为考虑楼板与梁的协同作用可以更充分地体现结构静动力性能。

首先讨论了考虑梁板协同工作与采用楼板平面内刚性假定两种框架有限元模型的区别。

其次,考虑协同工作的梁板必须划分较细的有限元网格,得出考虑梁板协同工作的钢筋混凝土框架有限元模型可以更加充分地体现结构的静动力性能,不考虑梁板协同工作会产生较大误差。

对于复杂结构更加有必要考虑这种协同效应,而且模型的精确建立对分析“强柱弱梁”的破坏因素也有关键的影响作用。

吴勇等¨鲥针对板筋参与梁端负弯矩承载力这一问题,指出板有效宽度是一种计算折合宽度,不是板的实际参与宽度,也不是板参与梁抗弯时所能达到的屈服宽度。

根据按中国规范设计的典型框架所能达到的最大层问位移角,可取梁每侧六倍板厚范围作为板的有效宽度。

而且对框架端节点来说,当直交边梁的抗弯和抗扭刚度与纵梁相比不至于相差太多时,在端节点处仍然可以取梁每侧六倍板厚作为板的有效宽度;但如果直交边梁刚度偏弱,则板的有效宽度取值应相应减少。

与此同时,在考虑板筋参与梁端抗弯的同时,应注意参与受力板筋的锚固问题和板内与梁垂直方向横向钢筋的设置问题,以保证纵向板筋能有效的参与梁端抗弯。

李云贵等㈨1通过对高层建筑结构分析中对楼板的模型简化,指出楼板的合理模型简化至关重要,它不仅影响结构的分析效率,更重要的是直接决定了分析结果的精度。

通过SATWE软件很好的模拟了楼板的弹性变形,以及从工程实用出发,对楼板的平面外刚度和平面内刚度作出了假定,从而提高框架结构的分析精度,进而实现梁铰破坏。

42茂名学院学报2010年

杨红等乜¨通过杆系非弹性动力反应分析程序PL—AFJD程序分析来验证规范中柱端弯矩增大系数的可靠性以及对柱端弯矩增大系数取值对钢筋混凝土框架塑性铰机构的控制效果,说明了柱端弯矩增大系数是保证“强柱弱梁”抗震措施的关键因素。

王素裹等陋1结合“5・12”汶川地震的震害调查,考察了现浇钢筋混凝土框架结构产生“强梁弱柱”破坏形式的主要因素（现浇楼板对框架梁的增强作用、采用的柱轴压比限值过大、与框架进行刚性连接的填充墙等围护结构影响及设计人员设计习惯等,重点分析了现浇楼板对框架梁抗弯承载力的增强作用,给出了影响现浇楼板对框架梁抗弯承载力增强程度的主要因素为节点类型、横向梁刚度和侧向位移。

采用非线性有限元软件ABAQUS对侧向荷载控制下的现浇钢筋混凝土框架结构进行了模拟,分析了不同侧向位移对应的楼板内钢筋应力变化情况,同时给出现浇楼板内板筋的参与程度直接受到侧向位移大小的影响:

侧向位移越大、结构的非线性变形越大,参与作用的板内钢筋就越多,并且板面和板底钢筋在不同侧移下的应力变化有所不同,板面钢筋参与程度较板底钢筋大。

此外,还得出了梁端位置的现浇楼板有效翼缘宽度建议取值方法。

管民生等∞1通过对不同柱梁抗弯强度比值的矩形柱框架结构进行抗震性能分析,指出考虑到楼板翼缘及其钢筋对梁端抗弯承载力的贡献,要保证强柱弱梁的实现,矩形柱框架结构梁柱抗弯强度比值应不小于2.0。

3结论

“强柱弱梁”措施作为建筑抗震设计的一项重要设计原则,在工程设计中占有重要的地位和作用。

通过“强柱弱梁”及其它抗震设计来满足“小震不坏,中震不倒,大震不到”的抗震设计方针,最终目的就是形成延性框架设计,从而为保证生命和财产的安全做贡献,将灾害损失降到最低。

综上所述,影响“强柱弱梁”破坏机制的因素众多㈨埘1,其中关键三个因素如下:

1现浇楼板的影响。

在现浇结构中,楼板与框架梁~起浇筑,两者结合良好,共同工作能力强,楼板可显著提高框架梁的抗弯刚度和抗弯承载力。

2填充墙对结构刚度的影响。

填充墙是一个最复杂因素,其影响是很大的,所以要明确填充墙的抗震设计目标和相应的配套构造措施,如果是把强柱弱梁作为包括填充墙在内的整体结构抗震的屈服机制设计目标时,预期出铰的框架梁上不应设置填充墙,或填充墙与框架柱之间应留有足够的缝隙。

3钢筋超配置的影响。

钢筋超配引起梁端超强的因素包括以下几个方面:

一是实际的钢筋屈服强度可能比设计的钢筋屈服强度高;二是钢筋屈服后的应变硬化指标较高;三是设计配筋构造,如最大或最小构造要求,导致的梁端抗弯承载力提高;四是设计人员出于责任或意识。

在选筋时人为地加大梁的配筋率。

综上所述,为了保证“强柱弱梁”实现,必须综合考虑以上因素以及遵循一定原则,这样才可以实现梁铰机制的破坏,进而实现“小震不坏、中震可修、大震不倒“的抗震设计方针。

4今后的研究方向

如何实现“强柱弱梁”原则应该更加明确化、具体化、规范化,而且应该综合各种因素来分析满足“强柱弱梁”的条件,以便确定更详尽的研究方向。

首先,我们可以利用概率分析的方法来确定截面超配筋对梁或柱的影响,来具体确定截面的超配筋系数以及控制伸入框架柱钢筋的数量,而且还要明确的确定弯矩的调幅系数或参数,以便满足结构的“强柱弱梁”的设计要求,从而最终确定最佳的柱端弯矩增大系数。

其次,应具体考虑现浇楼板对“强柱弱梁”机制的具体影响来提取影响参数。

这里主要是综合考虑剪跨比、轴压比、横向梁刚度、板内配筋情况等因素等效来确定板的有效宽度。

在这里,可以根据最大层间位移角来计算板的有效宽度,即:

T形梁的有效翼缘宽度,主要考虑楼板对粱端抗负弯矩能力的贡献、对受弯承载力的影响以及结构内力重分布的影响,来确定柱端弯矩增大系数。

第4期高晓鹏等:

RC框架结构“强柱弱粱”影响因素的探讨与分析43

【参考文献】

[1]清华大学、西安交通大学、北京交通大学土木工程结构专家组.汶JII大地震建筑震害分析[J].建筑结构学报,2008,29（4:

1—9.

[2]FrenchCw,rCloehleJP.Effectoffloorslabollbehaviorofslab—beam—columnconnection[1].ACIJournal,1991,45（5:

321—337.[3]FraneoMA.Roleofs触lbeamsonl'espot,1seofslab—beam—columneonnoetionjournal0fstructuralengr峨[J].ACIJournal,1995,

121（3:

450—461.

[4]PantazopotrlousJ,MeehleJP.SimpleAnalyticalModelforT—beams[J].ASCE,1998,14（7:

1507—1523.

[5]朱少云,曹维琪.“强柱弱梁”设计原则在建筑结构设计中的应用[C].中国建筑学会.第八届全国混凝土结构基本理论及工程应用学术论文集,重庆:

重庆大学出版社,2004:

356—359.

[6]张海燕.RC框架“强柱弱梁”设计的可靠度分析[J].昆明理工大学（理工版,2009,349（2-58—63.

[7]秦朝江,余征.浅析钢筋混凝土框架结构“强柱弱梁”设计[J].四川建材,2009,35（2:

100—101.

[8]王亚勇.汶川地震建筑震害启示一抗震概念设计[J].建筑结构学报,2008,29（4:

20—25.

[9]胡庆昌.钢筋混凝土框剪结构抗震设计若干问题的探讨[J].建筑结构,2006,36（6:

84—86.

[10]蔡建,周靖,方小丹,柱端弯矩增大系数取值对Rc框架结构抗震性能影响的评估[J].土木工程学报,2007,40（1:

6—14.

[11]马宏旺,陈晓宝.钢筋混凝土框架结构强柱弱梁设计的概率分析[J].上海交通大学报,2005,39（5:

723—726.

[12]黎双伟.钢筋砼框架“强柱弱梁”及轴压比限值的概率分析[J],中外建筑,2005（4:

123—125.

[13]易伟建,张英.混凝土框架结构抗震设计的弯矩增大系数[J].建筑科学与工程学报,2006,23（2:

46—51.

[14]苏小卒,张荣.地震作用时柱的轴力变化和轴压比限值[J].东南大学学报,2002,32（增刊:

342—344.

[15]管民生,杜宏彪.现浇楼板参与工作后框架结构的pushover分析研究[J].地震工程与工程振动,2005,25（5:

117—123.[16]韦锋,傅剑平,白绍良.我国混凝土框架结构强柱弱梁措施的实际控制效果[J].建筑结构,2007,37（8:

5—9.

[17]吴应雄.钢筋混凝土多层框架柱的设计与施工分析一汶川大地震震害考察及对现状的思考[J].福建建筑,2008（10:

85—89.[18]王洪涛,谢礼立.考虑楼板作用的钢筋混凝土框架有限元模拟及并行计算效率[J].地震工程与工程振动,2009,29（1:

63—69.

[19]吴勇,雷汲川,杨红,等.板筋参与梁端负弯矩承载力问题的探讨[J].重庆建筑大学学报,2002,24（3:

33一。

37.

[20]李云贵,邵弘,陈岱林.高层建筑结构分析中对楼板的模型简化[J].土木工程学报,1998,31（5:

73—78.

[21]王素裹,韩小雷,季静.现浇楼板对RC框架结构破坏形式的影响分析【J].土木建筑与环境工程,2009,31（1:

66—71.[22]杨红,韦锋,白绍良,等.柱增强系数取值对钢筋混凝土框架塑性铰机构的控制效果[J].工程力学,2005,22（Z:

155—161.

[23]管民生,杜宏彪,韩大建.RC矩形柱框架结构不同柱一梁抗弯强度比的p,JsIlover分析[J].建筑结构,2009,39（4:

14一16,42.[24]薛素铎.建筑抗震设计[M].北京:

科学出版社.2003.

[25]中国建筑科学研究院.GB5001l一2001建筑抗震设计规范[S].北京:

中国建筑工业出版社,2001.

[26]StandardsNewZealandConcrete.StructureStandardNZS3101[S].WeUington,1995.

[”]ACICommittee318.ACI318—99andACI318R一99BuildingCodeRequirementsforStructuralConcreteandCommentary[s].AmericanConcreteInstitute,1999.

[28]NewZealandStandard.ConcreteStrueturesStandard[S]StandardsCouncil,1995.

[29]CSAA233—94.DesignofConcreteStructures[S].CanadaStandardsCouncil,1994.

[30]Eurocode8.DesignProvisionforEarthquakeResistanceofStructures[S].EuropeanCommitteeforStandardization,1995.

DiscussionofStrongColumn--WeakBeamFactorsforRCFrameworkGAOXiao—pen91,DuHong—bia02,CUANMin—shen91,ZHENGHa01,CAILo膏

（1.Faeult7ofCivilandTransportation.CuangdongUniversityofTechnology。

Cuangr.hou510006,China;

2.FacultyofCivilE晒neering.ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,China;

3.CollegeofArehitoeturalE;ngineering,tClaominglJnive%ity,l~laoming525000.China

Abstract:

Combinedwiththedamo.geanalysisof“5.12”7【renehuanearthquake,iti8neee嘲.t'ytoanalyzetheslrongcolumn—weakbeamdamageforRCfi'amework8ridtofindoutitsmainfactorsbasedon.thereSeal'chathomeandabroadtodeterminetheavailableflexuralea—pacityofcohllILrl—beam.Accordingto

theflexuralcapacity,howtosati由thedesigndemandofstrongcolumn—weakbeamandfourkeyfac:

torsofframeworkaIeunderdiseusslon.

Keywords:

RCframework;strongcolumn—weakbeam;cast—in—placeslab;effectiveflangewidth

RC框架结构"强