科技信息 ０规划与设计ｏ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１１年第２３期 如何在实际设计中确保“强柱弱梁”的设计理念 张薇 刘晋松 （吉林省电力勘测设计院 吉林长春１３００２２） 【摘要】震害表明，现浇混凝土框架结构很难做到“强柱弱梁”的设计理念。本文从作者多年的设计经验出发，对导致“强柱弱梁”不能顺利 实现的原因进行了分析，并针对这些原因，根据作者的理解，提出了相应的处理措施，可供从事结构设计的同行参考。 【关键词１框架结构；强柱弱梁；抗震 ０引言 历次的地震震害表明．混凝土结构．尤其是现浇钢筋混凝土框架 结构的“强柱弱梁”概念在现实中很难实现 从汶川地震中表现出来的 框架结构的震害问题来看 破坏时未实现设计的“强柱弱梁”理念是导 致建筑物严重破坏的一个重要原因 “强柱弱梁”是框架结构抗震设计中不可忽视的重要内容．也是实 现梁铰机制的重要结构措施。影响“强柱弱梁”的因素很多．在设计工 作中。如何抓住主要矛盾．真正实现“强柱弱梁”，已成为结构设计人员 关心的大问题 １ 为什么要实现“强柱弱梁” 框架结构的变形能力与框架的破坏机制密切相关。试验证明 梁 先屈服．可使整个框架有较大的内力重分布和能量消耗能力．抗震性 能较好．因此．抗震规范提出了“强柱弱梁”的设计原则。“强柱弱梁”实 质是控制塑性铰在框架中出现的位置．让不会引起结构整体破坏的耗 能塑性铰应较早、较多出现在梁端。在地震作用下．框架中塑性铰可能 出现在梁上．也可能出现在柱上：梁的跨中出现塑性铰将导致局部破 坏；柱中出现塑性铰，不易修复而且容易引起结构整体性破坏或倒塌： 而塑性铰出现在梁端．却可以使结构在破坏前有较大的变形．吸收和 耗散较多的地震能量．因而具有较好的抗震性能。 ２导致“强柱弱梁”不能顺利实现的原因及处理措施 导致“强柱弱梁”不能顺利实现的原因有很多．这些原因累加起来 就可能超过“强柱弱梁”对柱端的内力调整系数．即使抗震设防烈度为 ９度或者一级框架．要求采用实配钢筋后的梁抗弯承载力．一般做法 也只是放大内力的１０％．不足以抵消以上梁端总的承载力增大值。 分析起来．具体原因和处理措施主要有以下几个方面： ２．１结构内力分析中考虑楼板对梁的刚度贡献．却在梁的承载力设 计中不考虑此贡献．较大的低估了梁的承载力，造成梁负筋的超配．客 观上形成“强粱弱柱” 汶川Ｉ地震中某工厂厂房的震害中存在部分边梁 和梁梁端出铰而柱端未破坏的案例．这些案例表明楼板对于梁的 承载力贡献很显著。 震害表明．混凝土楼板尤其是现浇楼板和粱一般具有良好的共同 协调能力．可以按“Ｔ形梁”的形式工作．但是实际设计中若都以Ｔ形 梁进行结构分析和设计，将极大的增加设计难度。规范规定框架梁可 以适当考虑楼板的刚度贡献进行结构分析和内力计算（一般刚度放大 系数取１．５～２．０），这是合理的，但是在进行承载力设计时，若以此内力 对矩形梁截面进行设计则过分低估了楼板对梁的承载力贡献 合理的 方法之一是以此内力对Ｔ形梁截面进行设计．但是考虑到具体每根Ｔ 形梁截面尺寸定义和设计的烦琐．实际设计时．可以根据刚度分配原 理和调整梁的计算内力进行梁截面设计。具体方式如下：首先根据结 构布置情况．分析梁的刚度放大系数．假如为１．８，那么结构分析之后 的设计内力Ｍ 应该进行折减调整．即将Ｍ 除以１．８作为矩形截面梁 的设计弯矩，此时设计剪力ｖ 不调整，完全由梁承担是合适的 而对 柱来说，还是应该按照未经折减的弯矩进行内力放大的调整 需要注 意的是此时．要保证梁两翼的楼板钢筋不能太少．且满足一定的抗拉 锚固要求 ２２粱端配筋采用柱中线处内力．实际上柱中线截面弯矩比柱边截 面偏大约２０％ 结构分析计算中．框架梁端部负弯矩按梁的计算跨度ｌ。计算，内 力计算位置位于梁柱交点处（即在柱截面中心处，考虑刚域时，梁端计 算截面位于柱截面范围内离柱边ｈｄ４处）．结构计算没有考虑柱截面 宽度对构件计算内力．而构件抗力计算时采用的是梁端截面．抗力和 效应计算分别采用不同截面。造成截面位置的不一致．加大了梁端截 面配筋量值．增加了“强柱弱梁”实现的难度 梁端的设计弯矩理论上应以柱边弯矩为准．而考虑到目前常用的 ＰＫＰＭ等软件均以柱中线弯矩进行设计．采用柱中线处弯矩进行设计 确实会增大梁端截面的配筋量 由此造成的梁端弯矩增大可以通过 ＰＫＰＭ软件的梁端负弯矩折减系数来进行折减．一般取０．８５。 同时，建议在程序计算中设置梁净跨单元．用于框架梁梁端的裂 缝宽度计算：当所选用的程序不能自动取用支座边缘内力时．可根据 工程经验．对梁端弯矩进行适当的折减：也可根据框架梁竖向荷载的 比值．采用下列近似计算方法将梁端及跨中按弹性方法计算的弯矩均 乘以折减系数Ｃ．Ｃ可根据按下式确定： Ｃ＝￣ｎｌｏ＋（１－ｎ）ｌ ］ｌｎｌ。２ 式中ｌ 为梁的净跨．１０为梁的支座中心距．ｎ为简支梁在集中荷载 下的跨中弯矩Ｍ 与全部荷载下的跨中弯矩Ｍ。的比值。当以均布荷 载为主时Ｃ＝（１ｎ／］。）ｚ，以集中荷载为主时Ｃ＝ｌｒ／ｌ。。 ２．３按照正常使用极限状态的要求计算梁端截面的裂缝时．可能又 一次加大了梁端截面的配筋 按照正常使用极限状态的要求进行梁端截面的裂缝控制和跨中 挠度控制．是正确且必要的．但是采用了考虑刚度放大之后的内力计 算矩形截面．则不合理 正确的做法应该是采用Ｔ型截面设计或者采 用方法１）中按照刚度分配原理折减设计弯矩的办法。梁截面的配筋由 正常使用极限状态和承载力极限状态设计的较大值控制．但是正常使 用极限状态控制时候．要适当控制其可能对柱端内力调整造成的影 响。 另外．构件的裂缝宽度验算中．宜采用考虑塑性内力重分布的分 析方法．采用柱边缘截面处的梁端内力设计值．确保构件的裂缝宽度 验算不致给“强柱弱梁”验算增加新的负担 ２．４个人的设计习惯等原因．比如放大梁支座配筋及跨中配筋１０％ 左右．梁截面归并系数过大等原因 在工程设计中应严格控制梁端实配钢筋．对梁端负弯矩钢筋不应 超配（控制实配钢筋不超过计算钢筋面积，一般情况下，可取实配钢筋 面积为０．９５～１．０倍的计算钢筋面积１：对梁中正弯矩钢筋应控制超配 比例（一般情况下，可控制超配系数在１０％以内） 这样，基本可以将梁 筋超配控制在合理的和可以接受的范围内．并确认其不会超过柱端内 力调整系数从而造成“强梁弱柱” 目前．梁详图设计绝大部分都采用国家标准图０３Ｇ１０１．不区分具 体情况而盲目套用图集．造成梁端实际配筋大大超出计算中对应于梁 端弯矩设计值的配筋量．当采用多排钢筋时．问题更严重。 ２．５施工原因 现浇混凝土在梁柱节点处的施工顺序．也通常破坏了柱子的连续 性．从而一定程度上削弱了柱子的承载力 施工时应严格执行施工规范的要求．在浇筑混凝土前对柱底进行 凿毛并清理干净．以减少上下层施工缝对结构整体刚度的影响 当然．以上都是在严格执行规范已有规定的情况下采取的措施。 设计时必须严格执行规范对截面尺寸、配筋率、梁柱配筋的各种调整 系数等各种规定 ３结语 ３．１ 正确考虑楼板对梁的刚度和承载力贡献是保证结构分析和设计 正确的前提，本文所建议的简化计算方法，应根据结（下转第２８９页） ３４７ 科技信息 。建筑与工程０ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１１年第２３期 成桩过程中必须保证排气阀正常工作，防止发生堵管。施工时要 ３．２．３褥垫层施工工序：褥垫层敷设由夯填度控制，夯填度应满足不 ９ 本工程褥垫层厚１５ｃｉｎ．一次铺设完成，用板振捣器振捣２～３ 始终保持混凝土泵料斗内的混合料液面在料斗底面以上一定高度，以 大于０．遍．用水准仪控制标高．铺撒找平，再用平板振捣器夯实至设计要求。 免泵送时吸人空气．造成堵管 ３．２．４褥垫层施工前须将地下水位降至槽底以下至少５０厘米，然后 ２．２＿３混合料的制备 本工程ＣＦＧ桩混合料采用预拌混凝土．其强度等级为Ｃ２０，坍落 进行褥垫层施工：褥垫层施工完毕后，应禁止机械、手推车和无关人员 度为ｌ６～２０ｃｒｔ１．碎石粒径小于２．０ｃｍ。缓凝时间不少于６小时。 在褥垫层上行走．如因施工需要．应上铺木板等保护，以确保褥垫层正 混凝土到达施工现场后．应进行坍落度的检查，实测混凝土坍落 常发挥作用 度与要求砼坍落度之间的允许偏差为￣２０ｍｍ。 放褥垫层铺设范围线 ＣＦＧ桩施工期间．每台班测坍落度不少于４次．每台班制作混合 ｜ｒ 料试块一组．其规格为１５０ｘ１５０ｘｔ５０ｍｍ，标准养护，并送检２８天强 清土歪设汁标高 度．以有效控制桩体强度。 ２．２．４钻孔弃土清运 Ｊｒ 虚铺碎石厚度１ ７ ｃ ｍ 施工时．钻孔弃土应及时清运．以免影响施工速度和弃土中水浸 泡槽底．钻孔弃土清运可采用机械清运和人工清运两种方式。弃土清 运应与ＣＦＧ桩施工配合进行．严禁设备碰撞ＣＦＧ桩．避免造成浅部断 桩 弃土清运时应注意保护桩位放线点。避免桩位点移位或丢失。 ２．２．５ ＣＦＧ桩桩间保护土层清运 桩间保护土层的开挖、清运宜采用人工开挖、清运，在桩距足够大 且槽底土不易受扰动的情况下．可以采用小型机械开挖、清运。开挖过 程中应用水准仪进行测量，控制标高，以免超挖。 桩间保护土层开挖、清运过程中，应合理安排开挖、清运顺序，避 免开挖和运输机械直接在基底面上行走．造成基底土层的扰动。如需 在已开挖完成的基底面上行走．应采取铺设木板等保护措施，以保证 基底土在施工过程中不受扰动 ２．２．６ ＣＦＧ桩桩头处理 保护土层清除后可进行桩头处理．将桩顶设计标高以上桩头截 断．一般成桩３天后即可进行凿桩头工作。凿桩头一般采用人工截桩 方法．砍凿后的桩头应端面平直．其桩高允许误差宜控制在＋Ｏ一 ２０ｍｍ，具体方法如下： 用水准仪确定桩顶标高．人工开挖土至桩顶标高时．在桩顶标高 以上５０ｍｍ处对向平设两根钢钎．待轻敲人桩稳定后．用１２磅锤击打 钢钎．截断桩头。桩顶标高以上所剩的５０ｍｍ桩头。应用细钎剔凿平整 至桩顶标高。严禁用机械铲断桩头、单钎单向截桩或竖向截桩等。如因 剔凿桩头引起的桩头缺陷应按设计要求或补救措施进行接桩．将其接 至设计标高 匝 固 图２褥垫层施＂Ｉ－＇３－艺流程图 桩体达到设计强度后，要随机抽测两点做复合地基静载试验；随 机抽测两根做单桩静载荷试验．检测复合地基及单桩竖向承载力特征 值，确保实际承载力符合设计要求；随机抽测１０％的桩做低应变动力 试验，以检验桩身的强度及完整性。 ４结语 ＣＦＧ桩复合地基是在碎石桩加固地基法的基础上发展起来的一 种地基处理技术 由于ＣＦＧ桩改善了碎石桩的刚性．使其不仅能很好 地发挥全桩的侧阻作用．同时也能很好地发挥其端阻作用。因此。得以 广泛采用．并取得良好的经济和社会效益 为进一步保证ＣＦＧ桩复合 地基的施工质量．应从以下几个方面人手： 首先，选用合理的施工机械设备。ＣＦＧ桩多用振动沉管机施工，也 可用螺旋钻机。在施工准备阶段．必须详细了解地质情况．合理选用施 工机械。这是确保ＣＦＧ桩复合地基质量的有效途径。 其次，深入了解地质情况，采用合理的施工工艺。在施工过程中， 成桩的施工工艺对ＣＦＧ桩复合地基的质量至关重要．不合理的施工 工艺将造成重大的质量问题．而要选择合理的施工工艺必须深入了解 地质情况，根据具体情况，控制施工工艺。 最后，及时观测及时反馈。施工过程中要观测新打桩对未结硬的 已打桩的影响．注意已打桩桩顶标高的变化，确定是否产生缩颈。及时 把观测结果反馈给施工管理人员．以便及时发现施工过程中的问题．及 ３褥垫层铺设工艺流程和施工要点 ３．１工艺流程 ３－２施工要点 褥垫层铺设厚度、材料粒径、夯填度应符合设计要求。材料使用前 时解决问题，保证施工质量。ｌ 应复试．严禁使用不合格材料。 褥垫层铺设应用水准仪控制标高．分层敷设．夯填度不大于０．９ 【参考文献】 （夯填度为压实后厚度与虚铺厚度之比）。 ［１］刘津明，孟宪海．建筑施工［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００１ 本工程中，在ＣＦＧ桩桩顶设置了１５ｃｍ厚褥垫层。褥垫层的作用 ［２］王旭鹏．地基与基础［Ｍ］．北京：中国建材工业出版社，２０１０． 是保证桩、土共同工作，减少基础底面的应力集中，削减地震等水平荷 作者简介：韩－￣（１９８０－－－），女，江苏盐城人，扬州大学硕士研究生。 载影响。褥垫层采用不大于２０ｍｍ粒径的碎石，施工要求如下： ３．２．１人工清理复合地基至设计标高。验槽确保地基土中无扰动．避 ［责任编辑：王爽］ 免形成橡皮土 ３－２＿２铺设褥垫层时，技术人员现场负责指导。 ＪＧＪ３—２００２高层建筑混凝土结构技术规程．中国建筑工业出版社，２００２（０９） （上接第３４７页）构具体布置经过推理认为是合适的，然后进行设计。 ［３］４］混凝土结构构造手册．３版．中国建筑工业出版社，２００３（０６）． ３．２在复核梁设计结果的时候．不仅应复核正常使用极限状态和承 ［载力极限状态设计．还应根据上述解决方法的建议．确认柱端设计不 作者简介：张薇（１９７９．９一），女，吉林人，毕业于吉林建筑工程学院土木工程 能弱 系，现从事发电工程的结构设计工作。 ３－３ 议规范应给出更合理和有依据的“强柱弱梁”调整系数。 【参考文献】 ［１］ＧＢ ５００１０—２００２混凝土结构设计规范．中国建筑工业出版社，２００２（０２） ［２］ＧＢ５００１１－２０１０建筑抗震设计规范．中国建筑工业出版社，２０１０（０５）． 刘晋￣（１９８０．４一），男，吉林人，毕业于吉林建筑工程学院土木工程系，现从 事发变电工程的结构设计工作。 ［责任编辑：王静］
