・４２． 第３７卷第１３期 ２ ０ １ １年５月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖ０１．３７ Ｎｏ．１３ Ｍａｖ． ２０１１ 文章编号：１００９—６８２５（２０１ １）１３－００４２－０２ 框架结构“强柱弱梁”的抗震设计探讨 李摘健 要：列举了汶川地震中框架结构的梁柱节点处的典型震害现象及其特点，分析了框架结构未能实现“强柱弱梁”机制 的几项原因，介绍了国内外对此研究的最新进展，并提出了改进框架结构柱铰破坏形式的方法及提高抗震能力的措施， 以使框架结构抗震设计更加完善。 关键词：框架结构，侧向位移，现浇楼板，强柱弱梁，抗震设计 中图分类号：ＴＵ３５２．１１ 文献标识码：Ａ ０ 引言 “强柱弱梁”的框架结构破坏形式普遍被认为是一种理想的 结构抗震破坏形式，目前的结构设计，对钢筋混凝土框架结构，预 端形成。然而，实际震害与众多国内外试验结果表明：在现浇钢 破坏形式为“强梁弱柱”，未能很好实现延性耗能的目的，并与“强 线。在这两道防线之间，大量地震输入能量被结构的弹塑性变形 所消耗。但在汶川地震中，框架柱的破坏明显重于梁，柱端与节 点的破坏较为突出，即所谓的“强梁弱柱”结构很普遍。 期在地震作用下裂缝先在梁上充分发展，梁端塑性铰可以先于柱 ２形成柱铰破坏机制的原因分析 造成地震区未实现“强柱弱梁”屈服机制的具体原因有诸多 首先是现浇楼板对框架梁的增强作用。在很多设计中，现浇 楼板的平面外刚度没有考虑，忽略了楼板对梁刚度和强度上的提 筋混凝土框架结构中，多数塑性铰首先在柱端出现，结构的最终 方面： 柱弱梁”的设计思想完全相悖。 １ 框架结构典型震害情况 梁柱节点的受力比较复杂，如果竖向荷载较大而水平地震作 高，从而大大低估了框架梁的实际抗弯能力，造成了框架梁的“超 强”现象。在框架梁端负弯矩作用处，一定宽度范围内的现浇楼 板钢筋参与了框架梁端对负弯矩的抵抗作用。 其次由于框架梁跨度大，所需断面尺寸及配筋较大，而且楼 用较小时，左、右梁端截面中的剪力较小，节点的受力较为有利。 而当水平地震作用较大，使左、右梁端分别承受正、负弯矩作用 时，节点剪力比较大，对节点受力不利。由于节点的破坏机制及其 板对框架梁的刚度和承载力贡献也很大，以及规范对框架柱的轴 压比限值过高使得设计时框架柱的截面尺寸偏小等，导致框架梁 传力机理较为复杂，抗震性能较差，在大地震中的破坏较为严重。 因此出现“强梁弱柱”型的破坏形式。 在汶川地震中，现浇楼板框架结构大量出现柱铰机制并使结 的实际刚度增大，构破坏。按照多层钢筋混凝土框架结构抗震概念设计的要求，框 还有填充墙等非结构构件影响。填充墙影响框架结构的内 约束了框架柱部分柱段的侧移变形，形成短柱，导致短柱 架结构应具有多道抗震防线。所谓“强柱弱梁”，要求柱子不先于 力分布，剪切破坏；又因为填充墙平面分布不均匀，造成结构平面刚度偏 梁破坏。梁的破坏属于构件破坏是局部性的，柱子的破坏则危及 引起扭转效应。这些都改变了框架结构的整体受力机制，使整 整个结构的安全。而“强梁弱柱”型框架结构的底层柱上下端出 心，现塑性铰，将迅速导致结构的倒塌；反之，“强柱弱梁”型框架结 构，在全部梁端出现塑性铰并迫使底层结构也出现屈服变形时， 结构才会破坏。因此，“强柱弱梁”型结构至少存在两道抗震防 体结构难以形成“强柱弱梁”屈服机制，加剧了结构的地震破坏。 另外，梁柱节点是施工缝留设处，钢筋往往较多，给振捣带来 困难，施工质量难以保证，有的节点区域内的柱箍筋没有放置，造 的情况下，下柱显得较粗，厂房整体效果不明显。由于吊车吨位 参考文献： 小，钢格构柱柱肢基本采用Ｈ型钢即可，减少了钢板的焊接工作 ［１］ 钟善桐．钢管混凝土结构［Ｍ］．第３版．北京：清华大学出版 量。因此，钢柱方案也是较佳选择。 度大）中采用钢管混凝土柱方案比钢柱方案节省造价约３０％，同 社，２００３． 术，２００１，３２（２）：２０－２２． ２）在大、重型工业厂房（吊车吨位大，轨底标高高，柱距大，跨 ［２］ 钟善桐．钢管混凝土结构在我国的应用和发展［Ｊ］．建筑技 时厂房的抗侧移刚度大，柱子的安全储备大。由于厂房高大，钢 ［３］ＣＥＣＳ ２８：９０，钢管混凝土结构设计与施Ｘ－．规程［ｓ］． 管混凝土柱柱肢截面小，整体观感轻巧，美观。因此，在此类厂房 ［４］ ＧＢ ５００１７－２００３，钢结构设计规范［Ｓ］． 中钢管混凝土柱是首选。 ［５］ 韩林海．钢管混凝土柱耐火性能和抗火设计的特点［Ｊ］．安 全与环境学报，２００１，１（４）：３２－３４． Ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｐｉｌｌａｒ ｆｉｇｕｒｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｗｏｒｋｓｈｏｐ ＺＨＡＮＧ Ｈｕａ－ｐｉｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃａｒｒｉｅｓ ｏｎ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｉｌｌａｒ，Ｃｏｎｃｒｅｔｅ－Ｆｉｌｌｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｕｌａｒ（ＣＦＳＴ）ｐｉｌｌａｒ，ａｎｄ ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｉｌｌａｒ ｉｎ ｃｏｍｍｏｎ ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ ｗｏｒｋｓｈｏｐ ａｎｄ ｈｅａｖｙ ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ ｗｏｒｋｓｈｏｐ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｇｕｉｄ・ ａｎｔｅ ｆｏｒ ｐｉｌｌａｒ ｆｉｇｕｒｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｗｏｒｋｓｈｏｐ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ ｗｏｒｋｓｈｏｐ，ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ，Ｃｏｎｃｒｅｔｅ—Ｆｉｌｌｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｕｌａｒ（ＣＦＳＴ），ｓｔｅｅｌ ｃｏｌｕｍｎ 收稿日期：２０１１—０ｌ一１８ 作者简介：李健（１９７３．），男，工程师，唐山市房屋设计研究院，河北唐山０６３０００ 第３２ ０ ７卷墓１１ １ 年５月 ３智 成柱的破坏较重。 李健：千 性：框架结构“化木；口 ］强柱弱梁” Ｉ工 木口的抗震设计 叭辰暇 丁Ｉ探讨 不州 ・４３・ 柱铰机构的形成，不同抗震等级框架柱轴压比条件下失效概率值 在上述的诸多原因中，导致框架梁发生“超强”现象，从而出 相差较大，提出在保证相同的延性失效概率的前提下，可以通过 现“强梁弱柱”震害现象是由于现浇楼板对框架梁抗弯承载力的 提高柱梁抗弯强度比来放宽规范中框架柱轴压比限值。 参与作用。因此，要实现梁端塑性铰先于柱端产生、达到延性耗 的有利作用、完善“强柱弱梁”的设计方法。 冼巧玲，江传良，周福霖“。 提出了用碳纤维布加固平面框架 中间节点（其中２个为拟三维节点）的足尺拟静力试验，并用有限 元软件ＡＮＳＹＳ进行了分析，结果表明对平面框架梁柱节点，碳纤 能的目的，应合理考虑现浇楼板对其框架梁实际抗弯承载力所起 中间节点和空间框架中间节点的抗震加固新方法，通过５个框架 ３当前的研究进展 美国混凝土结构设计规范，自ＡＣＩ ３１８—１９９９开始考虑现浇板 维加固节点方法能显著改善构件的延性，承载力也有一定的提高，极限强度和屈服后刚度，加固效果明显。 对框架结构抗侧向移动能力的贡献，ＡＣＩ ３１８．０８在第２１．６．２款 能够提高节点的屈服强度、中要求框架柱的抗弯承载力应满足∑Ｍ ≥（６／５）∑ ，但对 框架边梁节点的方法，外套为Ｔ形，布置在节点附近的一部分区 现浇楼板，应考虑有效受拉翼缘范围内楼板钢筋的作用。 域范围内，起到局部加强节点的作用。可以作为提高设防等级的 综上所述，在国外，尤其是美国对现浇钢筋混凝土框架结构 Ｃｈｒｉｓ Ｇ提出了一种用薄钢丝网混凝土外套加固钢筋混凝土 其中，∑Ｍ 为节点上下柱端截面顺时针或反时针方向的抗 加固措施或震后对破坏框架节点修补使用的方法。 弯承载力之和，计算时按偏心受压构件考虑，取与计算方向对应 结构设计时考虑了楼板内钢筋对 侧向力引起的轴力与重力荷载轴力导致最小抗弯承载力的组合 抗震性能的研究已经比较深入，设计值；∑ 柚为节点左右梁端截面顺时针或反时针方向组合的 梁抗弯承载力的贡献，能够真正做到“强柱弱梁”。而在我国，虽 然建筑抗震设计规范规定结构设计时要做到“强柱弱梁”，但由于 抗弯承载力之和，计算时取柱边的梁端弯矩，对于与板整体现浇 不考虑现浇楼板内钢筋对梁抗弯承载力的贡献，实际达不到“强 的Ｔ形梁，应考虑有效受拉翼缘宽度ｂ 内板钢筋的作用，如图１ 所示。 柱弱梁”，反而表现为“强梁弱柱”。而且，现有大量“强梁弱柱” 结构，对这类结构如何加固处理，也是一个重要的研究课题。 参考文献： Ａ‘｜ｌ Ａ ｌ Ａ‘ ［１］ 王威，薛建阳，章红梅，等．框架结构在汶川５・１２大地震 中的震害分析及抗震启示［Ｊ］．世界地震工程，２００９，２５（４）： ｌ３１—１３５． ［２］ 王素裹，韩小雷，季７１． 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・ ［３］蔡图１ Ｔ形截面受拉翼缘有效宽度ｂ 健，方靖，方小舟．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． ｂ，取下述４条规定中的最大值：１）１／４梁的跨度；２）翼缘挑出 长度；３）对于Ｔ形梁，８倍板厚与１／２梁净间距二者中的较小值； ［４］ 袁贤讯，易伟建．钢筋混凝土框架“强梁弱柱”及轴压比限值 ４）对于Ｌ形梁，６倍板厚、１／２梁净间距与１／１２跨度三者中的较 的概率分析［Ｊ］．重庆建筑大学学报，２０００，２２（３）：６４—６８． 小值。 ［５］ 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］．上海交通大学学报，２００５，３９（５）：７２３－７２６． 张晓波，叶献国 通过计算实例指出在现行规范框架下，大 跨度框架结构难以实现“强柱弱梁”，提出为实现“强柱弱梁”，所 ［６］ 冼巧玲，江传良，周福霖．混凝土框架节点碳纤维布抗震加 有抗震等级的框架结构，都按实际配筋的实际承载力计算校核。 固的试验分析［Ｊ］．地震工程与工程振动，２００７，２７（２）：１０４— 蔡健，方靖，方小舟 考虑主要影响“强柱弱梁”设计参数和 １１１． 地震加速度值的随机性，以３层和６层框架结构为分析对象，采 ［７］ ＡＣＩ ３１８—０８，“Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｃｏｄｅ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｃｏｎ・ 用蒙特卡罗法，模拟分析了结构楼层和整体形成“柱铰机制”的抗 ｃｒｅｔｅ ａｎｄ Ｃｏｍｍｅｎｔａｒｙ，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｄｅｔｒｏｉｔ， 震位移需求超越位移能力的概率，分析结果表明柱端弯矩系数大 ＭＩ，２００８． 于２．０时框架结构才能达到可以接受的形成“柱铰机制”的概率。 ［８］ 张晓波，叶献国．汶川地震出现的“强梁弱柱”现象探讨 袁贤讯，易伟建 从可靠度校准的角度分析了现行建筑抗震 ［Ａ］．防震减灾工程理论与实践新进展（纪念汶川地震一周 设计规范“强柱弱梁”与轴压比限值的概率意义，结合框架和节点 试验结果，说明现行规范规定的柱梁弯矩比值并不能有效地防止 年）——第四届全国防震减灾工程学术研讨会会议论文集 ［Ｃ］．２００９：９６．１００． Ｏｎ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ａｎｔｉ－ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｆｂｒ ｆｌｒａｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｓｔｒｏｎｇ ｃｏｌｕｍｎ ａｎｄ ｗｅａｋ ｂｅａｍ ＬＩ Ｊｉａｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｄａｍａｇｅｓ ａｎｄ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｎｏｄｅｓ ｏｆ ｃｏｌｕｍｎ—ｂｅａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌａｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ Ｗｅｎｃｈｕａｎ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ，ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｆｏｒ ｗｈｙ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｔｒｏｎｇ ｃｏｌｕｍｎ ａｎｄ ｗｅａｋ ｂｅａｍ ｃａｎ ｎｏｔ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ，ａｎｄ ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｉｎｇｅ ｄａｍａｇｅ ｆｏｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ａｎｔｉ－ｓｅｉｓｍｉｃ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ａｎｔｉ－ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｌａｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｉｄｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｃａｓｔ—ｉｎ－ｐｌａｃｅ ｆｌｏｏｒ ｂｏａｒｄ，ｓｔｒｏｎｇ ｃｏｌｕｍｎ ｗｉｔｈ ｗｅａｋ ｂｅａｍ，ａｎｔｉ—ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｎ ｇ
