强柱弱梁在建筑结构设计中的应用之探析

强柱弱梁在建筑结构设计中的应用之探析

代永超

关键词:建筑结构强柱弱梁设计

强柱弱梁（strongcolumnandweakbeam）指的是使框架结构塑性铰出现在梁端的设计要求。用以提高结构的变形能力，防止在强烈地震作用下倒塌。“强柱弱梁”不仅是手段，也是目的，其手段表现在人们对柱的设计弯矩人为放大，对梁不放大。其目的表现在调整后，柱的抗弯能力比之前强了，而梁不变。即柱的能力提高程度比梁大。这样梁柱一起受力时，梁端可以先于柱屈服。实际上，以下本文重点对建筑结构中的强柱弱梁设计进行了初探分析，同时总结了一些自己的看法和建议

一、强柱弱梁的因素影响

1.柱轴压比的影响

笔者经过多年来的实践工作观察发现，在大多数框架结构倒塌事故中，现行规范轴压比限值较高则是引发这一问题的主要因素之一。当地震发生时，由于轴压设计不合理，导致柱压发生损坏。

2.梁计算中楼板的影响

通常情况下，设计人员在对建筑结构进行设计时，一般都不会将楼板归纳到整体结构的计算中，很多时候都是直接把荷载算入梁上。并且，在对水平荷载进行计算的过程中，又因为考虑到楼板对梁刚度的影响，往往只对梁配筋的矩形截面进行了计算，最终导致所有的钢筋计算都全部集中到矩形截面中，而原本T形梁承受荷载设计就变得毫无意义。

3.填充墙对结构刚度的影响

在很多建筑工程施工中，施工单位普遍采用了砌体墙的围护结构形式。但是，这种建筑结构在受到地震作用下，下半部分的砌体墙将会与梁同时进行运动，这也势必会对梁产生一定的影响。并且，当柱子结构承受砌体墙与梁共同产生的剪力时，就很难在实现强梁弱柱。尤其是对于墙体较多，而框架结构十分复杂的建筑工程来说，大多数的填充墙分部呈现不均匀的状态，很容易导致框架结构刚度出现较大的误差。因此，设计人员在考虑周期折减的同时，也要考虑到其他因素对框架结构的影响。

4.裂缝计算加大了梁端的抗弯能力

在实际的设计过程中，设计人员一定要高度重视裂缝的设计，一旦计算不合理，就会大大增加梁端配筋面积，最终导致梁端弯矩较大，使得裂缝尺寸超出实际计算值。其次，如果只是一味的加大两端配筋，梁端裂缝挠度也会与抗震调幅之间呈现相互矛盾的现象，这也给强柱弱梁设计的有效实施造成了极大的不便。

5.梁底配筋的不合理

我国目前对梁配筋的设计规范有着十分明确的规定。但是，有许多设计人员在不区分施工具体情况的前提下，盲目设计，致使梁底配筋计算无法达到强柱弱梁的使用要求。这样一来，当全部的底筋被嵌入柱中时，将会加大梁端的抗弯距程度，造成更加严重的后果。

6.梁柱刚度比过大而导致强柱弱梁机制难于实现

6.1当梁柱刚度比超过一定值，在水平侧向力作用下，框架柱相对弯矩增幅会大于框架梁相对弯矩增幅，框架柱会先于框架梁达到抗弯承载力而出铰;

6.2当层间剪切变形达到一定程度后，即使框架柱端纵筋不屈服，柱端混凝土压应变也会达到极限压应变而发生破坏，导致柱端抗弯承载力降低。

二、结构计算参数的选取

计算中应严格按照地震区的划分，选取正确的设计基本地震加速度值。框架结构由于填充墙的存在，使结构的实际刚度大于计算刚度，计算周期大于实际周期，因此，算出的地震作用效应偏小，使结构偏于不安全，因而应对结构的计算周期进行折减。折减系数可根据填充墙的材料及数量按规范选取。SATWE或TAT等计算软件的梁输入模型均为矩形截面，未考虑楼板形成T形截面而引起梁刚度增大，计算出的地震剪力偏小，使结构偏于不安全。因此计算时应将梁刚度进行放大，放大系数中梁取2.0、边梁取1.5为宜。计算中应考虑楼梯构件的影响。SATWE软件计算中，框架柱的角柱在特殊构件定义里面一定要设定，否则引起框架柱的角柱配筋不足。

三、结构计算参数的选取

计算中应严格按照地震区的划分，选取正确的设计基本地震加速度值。框架结构由于填充墙的存在，使结构的实际刚度大于计算刚度，计算周期大于实际周期，因此，算出的地震作用效应偏小，使结构偏于不安全，因而应对结构的计算周期进行折减。

四、关于建筑结构强柱弱梁设计的几点建议

1.填充墙是影响“强梁弱柱”机制实现的重要因素，未来的设计中，以下面两种方式进行设计实施来考虑填充墙的影响：a．框架结构中，采用刚度贡献小的填充墙或填充墙连接形式，设计时通过周期折减的方式来考虑填充墙对结构的刚度影响；b．充分利用填充墙作为第一道抗震防线，使框架结构形成双重抗震防线，可显著提高框架结构抗震承载能力及其抗地震倒塌能力。填充墙自身应具有一定承载力和变形能力。目前规范及现有计算手段尚无法将填充墙对结构刚度的影响进行量化分析，可通过等刚度代换的原则，用较薄的混凝土墙来近似模拟对结构刚度的影响，这对填充墙较多的建筑具有一定的设计参考意义。

2.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。楼板与框架梁一起现浇，两者可以结合良好，共同工作能力好，可显著提高框架梁的能力。在考虑楼板影响时，有两种设计算梁截面抗弯承载力时不考虑楼板翼缘，代之以提高柱梁强度比，间接考虑楼板的贡献；b．维持现行规定的柱梁强度比数值，把楼板考虑进来，计算后满足框架的强度比就可以了，这需要现行的计算软件进行这方面计算分析配合。

3.导致梁端钢筋超配的因素。a．楼板中配筋未考虑。b．结构内力分析计算简图按构件轴线考虑。c．框架梁配筋由裂缝或变形条件控制等等。解决这些的办法是用实配验算。在复核梁设计结果时，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，确认柱端设计不能弱。应控制梁端实配筋与计算配筋的比例。《抗规》6．2．2条文说明指出，当梁端实配钢筋不超过计算配筋10％的前提下，满足规范不等式转化的内力设计值的关系式可在一定程度上减缓柱端的屈服。

4.建议规范应给出更合理和有依据的调整系数强柱弱梁是在大震作用下形成的，另一种较为简便的强柱弱梁设计的计算方法是：框架梁内力按小震计算确定，框架柱内力按大震弹性计算确定。

5.框架柱轴压比是影响框架结构“强柱弱梁”机制的重要因素之一，降低框架柱轴压比可使得框架结构的安全储备增加，结构倒塌概率显著降低。

五、结束语

综上所述，可以得知，强柱弱梁作为框架结构抗震设计中关键的环节之一，对于建筑结构的安全可靠性有着至关重要的影响，更是该建筑工程经济效益的有效保障。因此，在对建筑结构进行设计时，设计人员必须高度重视强柱弱梁设计，对影响强柱弱梁的因素进行深入的调查分析，从而采取相关有效的改进措施。

参考文献:

[1]周军文,齐永胜,鲁良辉.对“强柱弱梁”屈服机制的分析[J].混凝土与水泥制品.2011(06)

[2]陈仁朝.框架结构抗震设计相关问题的探讨[J].科技资讯.2010(34)

[3]黄华,施明君,刘伯权,吴涛,李楠.框架结构“强梁弱柱”问题研究[J].防灾减灾工程学报.2010(S1)