1強柱弱梁1.1“強柱弱梁〞的本質指梁柱節點處，柱端實際受彎承載力大于梁端實際受彎承載力。1.2為什么要保證“強柱弱梁〞？因為框架結構的變形能力與其破壞機制有很大的關系。研究說明：梁先屈服，即梁端先出現塑性鉸，可使整個框架結構產生較大的內力重分布，從而增強結構的耗能能力和極限層間位移，抗震性能較好。假設柱先屈服，那么可能使整個結構變成幾何可變體系，造成結構倒塌。1.3怎樣保證“強柱弱梁〞？一般采用增大柱端彎矩設計值的方法〔框架抗震等級為一、二、三級時，柱端彎矩增大系數分別取1.4、1.2、1.1〕，PKPM程序自動考慮這一規定。1.4哪些因素導致無法準確實現“強柱弱梁〞？①結構內力分析時考慮了樓板的約束作用〔梁截面為T形，PKPM中以邊梁和中梁的剛度放大系數來考慮〕，但梁的承載力設計時仍以矩形截面來配筋，并沒有考慮樓板的約束作用，低估了梁的承載能力。實際應該這樣處理：按T形截面進行的內力分析，就應根據所得的承載力按T形截面進行配筋；或者將按T形截面進行內力分析后所得的承載力除以梁剛度放大系數，然后按矩形截面進行配筋。②梁端配筋采用的是柱中線處的內力，而實際上應該采用柱邊的內力，而柱中線處的內力比柱邊的內力大約20%，實際上增加了梁端的配筋。③由于設計習慣和鋼筋需要歸并等原因造成梁配筋的增大。2強剪弱彎2.1“強剪弱彎〞的本質指梁、柱和剪力墻底部的斜截面實際受剪承載力大于實際受彎承載力。2.2為什么要保證“強剪弱彎〞？因為彎曲破壞是延性破壞，有一定的征兆，如裂縫、撓度等；而剪切破壞是脆性破壞，沒有任何預兆突然破壞。所以要保證構件在發生彎曲破壞前不產生剪切破壞。2.3怎樣保證“強剪弱彎〞？一般采用增大梁端、柱和剪力墻剪力增大系數的方法〔框架抗震等級為一、二、三級時，梁端剪力增大系數分別為1.3、1.2、1.1；柱剪力增大系數分別為1.4、1.2、1.1；剪力墻抗震等級為一、二、三級時，剪力墻剪力增大系數分別為1.6、1.4、1.2〕。PKPM程序自動考慮這一規定。具體配筋時，可采取以下措施來盡量保證“強剪弱彎〞：1，增大箍筋直徑，減小箍筋間距。2，必要時，某些構件的箍筋可全長加密，如連梁、短柱等。3，主次梁交接處，設臵附加箍筋和彎起鋼筋。3強節點弱構件3.1“強節點弱構件〞的本質指節點區域的實際承載力大于構件的實際承載力。3.2為什么要保證“強節點弱構件〞？因為節點失效，與之相連的梁柱等構件全部失效，結構也坍塌失效。3.3如何保證“強節點弱構件〞？一般通過構造措施來解決，如規定梁縱筋的錨固長度、錨固形式等，詳見《混凝土結構設計標準》10.4節梁柱節點。梁的延性靠的是箍筋，箍筋約束混凝土，可延長混凝土從受壓到破壞的時間。地震時產生的水平剪力主要靠箍筋來承當，這也是需要提高延性時采用箍筋加密的根本原因。而梁的縱筋主要用來承當豎向荷載產生的彎矩。梁的底面和頂面縱筋的比值是用來提高梁端的塑性轉動能力，不是梁延性的主要控制因素。3.4“強梁弱柱〞破壞分析抗震設計中,“強柱弱梁〞、“強剪弱彎〞、“強節點弱桿件〞一直是各國抗震標準所強調的,但汶川地震的實際情況不容樂觀。實現“強柱弱梁〞,現行標準存在缺乏。葉列平等[2]就“強柱弱梁〞未能實現的原因提出諸多觀點,認為出現這一破壞現象的原因有:填充墻等非結構構件的影響;樓板對框架梁的承載力和剛度增大的影響;框架梁跨度和荷載過大,使梁截面尺寸增大,梁端抗彎承載力增大;!梁端超配筋和鋼筋實際強度超強;?柱軸壓比限值規定偏高,柱截面尺寸偏小;#柱最小配筋率和最小配箍率偏小;?大震下結構受力狀態與結構彈性受力狀態存在差異;%梁柱可靠度的差異。現階段而言,應主要考慮以下幾個方面的因素。填充墻等非結構構件影響填充墻作為框架結構的重要組成局部,主要起圍護作用,而不作為受力構件存在。但其存在不可防止地影響結構受力性能:結構錯層處、樓梯、窗下等部位,填充墻使框架長柱變成短柱,發生剪切破壞;同一樓層間填充墻位臵、數量的變化,在水平方向改變結構的側向剛度分布,從而改變地震內力的分布;不同樓層間填充墻位臵、數量的變化,在豎直方向改變層間剛度分布,形成“薄弱層〞,最終導致“層屈服機制〞的出現。現行抗震標準[3]第3.7.4條規定:圍護墻和隔墻應考慮對結構抗震的不利影響,防止不合理設臵而導致主體結構的破壞,但未給出如何考慮填充墻對結構抗震不利影響的具體方法。工程計算中常采用考慮非承重墻剛度對結構自振周期的折減系數T來調整結構的自振周期,從而影響地震力的計算,這事實上是遠遠不夠的。筆者通過有限元程序分析一典型框架結構(結構尺寸及布臵如圖2,底層層高3.9m,其余為3.3m,共10層,梁、板混凝土強度等級為C30、柱為C35)不同填充墻材料、不同空間布臵時,在Taft地震波、El-Centro地震波和廣州人工波作用下的結構地震反響,認為:(1)填充墻材料性質造成其自身剛度的不同,隨填充墻自身剛度減小,對框架抗側剛度的奉獻減小,依次是標準磚、空心磚、加砌混凝土砌塊,但即使采用低強度砌塊,填充墻剛度對框架結構的影響也不能完全忽略。(2)結構同一層隨隔墻數量增加,周期減小,結構剛度變大,層間剛度突變越來越不明顯,當上下層的隔墻布臵僅有少量差異時,結構周期非常接近,影響很小。(3)令樓層填充墻截面面積與其上相鄰一層填充墻截面面積之比為w,當某層w≤45%時,應將該層視為“薄弱層〞。為保證有足夠的平安度,實際設計過程中,建議w不低于60%。(4)“薄弱層〞在底層時,對結構整體性能影響最大,地震力作用下底層發生破壞的可能性最大;“薄弱層〞往頂層移動,只在“薄弱層〞位臵處位移增大,剛度突變,上下層剛度比增加,但與其上相鄰三層剛度均值之比卻在減小,剛度比不滿足標準要求;“薄弱層〞在頂層時,對結構整體影響最小。(5)“薄弱層〞填充墻的數量及其在樓層中的位臵是影響自振周期計算的兩個主要原因;隨“薄弱層〞位臵不同,填充墻對框架抗側剛度的參與率不同,隨高度增加而有所減小,建議標準提出考慮填充墻影響的框架抗側剛度計算模型。樓板對框架梁承載力及剛度的影響框架結構中,樓板與梁共同澆注,實際參與梁的受力,一定程度上提高了框架梁的抗彎剛度和承載力。影響現澆樓板對框架梁增強作用程度的主要因素有節點類型、橫向梁剛度以及側向位移值[4]。樓板內的鋼筋會使框架梁的實際抗彎承載力增大20%～30%,甚至有些情況下會增大近1倍[5]。但結構設計中僅考慮樓板對框架梁抗彎剛度的提高,將中梁和邊梁的剛度按原框架梁矩形截面剛度乘2.0或1.5的增大系數。此做法雖然增大了梁端彎矩,但同時亦增大了梁的配筋,且樓板鋼筋的作用未計入。因此,要真正實現“強柱弱梁〞的設計目標,必須考慮樓板有效翼緣寬度范圍內,梁受到的增強作用,并將其等效為T形或者形梁進行設計計算。柱軸壓比的影響文獻[3]規定,框架結構柱的軸壓比限值在0.7～0.9之間,隨抗震等級提高而減小。與日本標準相比,我國標準的軸壓比要大很多,是其2～3倍。軸壓比限值越高,柱的截面允許尺寸就越小。這一做法雖然能夠滿足使用空間大、美觀經濟的要求,但減小了平安儲藏,同時降低了梁柱線剛度比,使得“強柱弱梁〞機制難以實現。3.5抗震標準對“強柱弱梁〞的考慮現行抗震標準對“強柱弱梁〞的考慮主要通過調整梁端柱端彎矩的比值來控制。由于地震的復雜性、樓板的影響、鋼筋屈服強度的超強,難以通過精確的計算真正實現“強柱弱梁〞。標準最新修訂稿[6]即送審稿對上述條款作了適當調整,提高了框架結構的柱端彎矩增大系數,從原先的“一級取1.4、二級取1.2、三級取1.1〞,提高到“一級取1.7、二級取1.5、三級取1.3;其他結構類型中的框架,一級取1.4、二級取1.2、三、四級取1.1〞。為了防止底層柱底過早出現塑性屈服,對原先的“一、二、三級框架結構的底層,柱下端截面組合的彎矩設計值,應分別乘以增大系數1.5、1.25和1.15〞,提高到“一、二、三、四級框架結構的底層,柱下端截面組合的彎矩設計值,應分別乘以增大系數1.7、1.5、1.3和1.2〞。同時指出,要真正實現“強柱弱梁〞,除了按實際配筋計算外,還應計入梁兩側有效翼緣范圍樓板鋼筋的影響。所以送審稿雖在一定程度上加大了框架柱的配筋量,但能否真正實現“強柱弱梁〞,尚存在疑問。送審稿(文獻[6])同時修改了框架結構的抗震等級確定條件,將文獻[3]中以30m為界限區分不同設防烈度區域的抗震等級,改為以24m作為界限高度;并將柱軸壓比限值,從原先的一級取0.7、二級取0.8、三級取0.9,降低為一級取0.65、二級取0.75、三級取0.85。這對24～30m高的框架結構來講,承載力得到較大提升,同時,柱軸壓比限值的減小一定程度上提升了柱的承載力和剛度。此外,送審稿從“強剪弱彎〞角度出發,提高了柱剪力增大系數:由原先的一級取1.4、二級取1.2、三級取1.1,提高到一級取1.5、二級取1.3、三級取1.2。“強柱弱梁〞破壞機制的實現受到眾多實際因素的制約,必須進一步研究填充墻等非結構構件對梁柱剛度的影響并表到達設計計算中去;必須進一步研究現澆樓板對梁剛度和承載力的影響,并在實際設計中予以考慮;還需要更為嚴格地限制柱的軸壓比,以提高柱的剛度至合理范圍。建筑抗震標準送審稿雖然提高了柱的彎矩增大系數和剪力增大系數,同時降低了判別框架結構抗震等級的界限高度,使柱承載力得到提高。算例柱的抗彎承載力提升10.8%～33.1%,抗剪承載力提升11.1%～19.3%,但仍“只在一定程度上減緩柱端的屈服〞。在柱承載力提高的同時,結構造價有所提高,總造價增加19.9%左右。3.6保證強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件的概念設計為了保證強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件的抗震設計概念，設計中應滿足如下要求：⑴實配柱縱筋和箍筋時，應考慮梁翼緣板的作用和梁裂縫寬度驗算或超配而增加梁縱筋的影響。⑵對于大跨度的框架結構，框架柱的線剛度須大于框架梁的線剛度的1.1倍。⑶高層建筑結構柱的最小截面不應小于350×400，且須滿足梁鋼筋的水平錨固的要求。⑷框架柱縱向鋼筋的最小配筋率，應比《建筑抗震設計標準》規定的最小配筋率提高0.2%，框架柱縱向鋼筋直徑宜≥16㎜。⑸對于底層空曠〔如架空層、商場、騎樓等〕，二層以上框架之間有砌體的框架建筑，須考慮二層以上砌體的側面剛度，底層應布臵適量的剪力墻或支撐，控制底層和二層的剛度比，底層豎向構件地震剪力應乘以1.15的放大系數。(6)剪力墻豎向分布鋼筋直徑應≥10㎜，剪力墻邊緣構件〔暗柱〕鋼筋直徑應≥14㎜汶川地震震害說明，結構柱底或柱頂破壞嚴重，未能表達強柱弱梁、強剪弱彎的設計概念，由于梁翼緣板和梁裂縫寬度驗算增加的梁縱筋的作用，低估了梁端的承載力，相對高估了柱端承載力，因此在實配柱縱筋和箍筋時，應考慮這局部梁縱筋的影響：柱增加的單向縱筋和箍筋可按以下簡化計算確定：為了減輕設計人員的工作量，可按以下方法配筋：〔a〕考慮梁翼緣板的影響時，柱縱筋單邊增加3〔二級鋼〕，柱箍筋增加量對于小截面框架柱〔高度〕，在箍筋間距200情況下，單邊增加0.503(即一級鋼)；對于框架柱截面高度大于，柱箍筋可不增加。〔b〕考慮梁裂縫寬度驗算或超配影響時，柱縱筋單邊增加50%Agb，Agb為驗算裂縫寬度或超配增加的梁面支座鋼筋。柱箍筋應計算其增加量。一般情況下，由于有板的有利作用，無須再增加梁支座鋼筋的數量。⑵對于大跨度的框架結構，規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較大，梁底筋全部伸入柱內，也形成了強梁。因此框架柱的截面和配筋也應滿足強柱弱梁的設計概念。⑶對于4-6.8m跨度的高層框架剪力墻結構，按照標準的軸壓比要求設臵柱截面，截面尺寸偏小，有些可到達350×350㎜，需控制最小的截面尺寸，且還須滿足梁的縱筋的水平錨固要求；⑷柱縱向鋼筋按標準最小配筋率配制鋼筋時，柱鋼筋直徑偏小，很多工程采用Φ14鋼筋即可到達要求；設計時未考慮梁翼緣板對梁端承載力提