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1、第37卷第8期建 筑 结 构2007年8月我国混凝土框架结构强柱弱梁措施的实际控制效果*韦 锋 傅剑平 白绍良(重庆大学土木工程学院 400045)41 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。严格按中国规范设计出5个不同地震烈度分区的规则平面框架结构,考察了这些结构在采取强柱弱梁措施后其柱、梁之间的实际强度级差系数及其规律,对这些框架进行了多波输入下的非弹性动力反应分析。结果表明,在罕遇地震下, 9度区(一级抗震等级)框架形成了抗震性能良好的梁铰机构;而8度区二级抗震等级和7度区三级抗震等级的框架形成了以柱铰为主或柱铰偏多的梁
2、、柱铰混合机构。分析结果揭示出,在现行强柱弱梁措施的调控下,不同抗震等级的框架结构在强震下所形成的塑性耗能机构存在明显差异,并可能导致在抗震安全水平上的不一致性。1oM 框架结构 强柱弱梁 非弹性动力分析 塑性耗能机构 抗震性能Actual Control Effect of Strong2column andWeak2beam Measuresof Reinforced Concrete Frame Structuresin ChinaPWei Feng, Fu Jianping, Bai Shaoliang(Faculty of Civil Engineering, ChongqingUn
3、iversity, Chongqing 400045, China)Abstract: To verify the actual control effect of the strong2column and weak2beam measures, the factors influencing bendingcapacities of columns and beams and their relative strengths are analyzed and summarized. Five regular reinforced concreteframes are designed co
4、nformed to the Chinese code in different seismic fortification intensity. The actual strength hierarchybetween columns and beams are investigated after the columns enhanced. The nonlinear dynamic response analysis of theseframes under multi2wave input is carried out. The results show that under majo
5、r earthquake, the frame of seismic grade 1 inearthquake intensity9 region forms a beam2hinge mechanism with satisfactory seismic performance, and the frames of seismicgrade 2 in earthquake intensity 8 region and seismic grade 3 in earthquake intensity 7 region form column2hinge2dominatedmechanisms o
6、r ones with majority of column2hinge. The results show the distinct difference of plastic energy2dissipatedmechanisms of frames in different seismic grades under strong motions and the inconsistence in anti2earthquake safety levelbetween these structures, which could be a reference for the code admi
7、nistrative group.Keywords: frame structures; strong2column and weak2beam measures; nonlinear dynamic analysis; plastic energy2dissipatedmechanism; seismic performance*国家自然科学基金资助项目( 59878056)。0 -钢筋混凝土框架结构是我国地震区广泛使用的一种结构形式。我国规范主要通过一系列的抗震措施来保证按多遇地震设计的结构在更大地震作用下的抗震性能,其中/强柱弱梁0是一项关键控制措施,其目的是使框架结构在强震下形成具有较
8、好抗震性能的稳定的屈服后塑性耗能机构,并避免结构形成同层所有柱端均出现塑性铰的层侧移机构。抗震设计规范给出了GB50011 ) 20011柱端抗弯能力增强系数的取值。在实际工程中,规范所规定的其它抗震措施和配筋设计的一些习惯做法都可能与强柱弱梁措施一起共同影响到设计完成后实际的柱、梁强度比,进而影响到框架结构屈服后的塑性耗能机构类型,最终影响框架结构在强震作用下的实际抗震性能。因此,有必要分析和归纳框架柱、梁强度比的影响因素,考察框架结构在设计完成后真实的柱、梁抗弯能力之比,并以有效手段来检验其实际抗震效果。1 YnL=rTvy111各种原因引起的梁端实际抗弯能力超强在实际设计中,人为因素、构
9、造要求及设计习惯等原因均可造成梁端的实际抗弯能力以不同幅度超过其组合弯矩设计值。从典型结构的设计和分析以及国外分析结果来看,梁端超强主要来自下列5个方面的原因:11各种构造原因造成的梁端钢筋超配构造原因包括: 1)一定现浇板宽范围内与框架梁平行的板筋参与抵抗负弯矩,使梁端抗负弯矩能力增大; 2)由跨中弯矩控制的梁下部钢筋伸入支座,使梁端抗正弯矩能力增大; 3)梁下部钢筋整跨拉通,使组合弯矩较小一端的梁下部钢筋增多; 4)规范对梁端下5部纵筋数量应不少于上部纵筋的015倍(一级)或013倍(二、三级)的规定,可使梁端下部纵筋数量超配; 5)当梁下部受拉纵筋用量由抗震条件下的最小配筋率控制时造成的
10、超配; 6)节点左、右梁上部纵筋按设计弯矩较大一侧用量贯通布置,可使设计弯矩较小一侧的梁端上部钢筋超配。21人为原因造成的梁端钢筋超配长期以来,一部分结构设计人员出于安全考虑人为将各构件控制截面计算所得配筋根据自身经验加大。如果只是人为增大梁端配筋量,而对柱配筋不作增大,这相当于增大了梁的实际抗弯能力,但又未按比例增大柱抗弯能力,这自然不利于防止柱端屈服,从而对结构整体抗震性能不利。31梁筋和柱筋进入屈服后状态程度的差异在避免柱端出现塑性铰的前提下,充分转动的梁端塑性铰中的纵筋将可能在一定程度上进入强化段,而柱端纵筋则没有进入屈服。在梁纵筋使用屈服平台较短或无屈服平台的钢筋时,这种差异较为明显
11、。但当使用屈服平台较长的钢筋时,即使梁铰已充分转动,其纵筋应变可能仍未进入强化段。另外,若对柱端塑性铰的出现控制不严,即柱端亦可能进入屈服时,这种差异也会相应减小。41钢筋强度离散性导致梁筋强度偏高的可能性考虑到材料的离散性,在实际工程中存在梁筋实际强度恰遇偏高,而柱筋实际强度恰遇偏低的可能性。虽然难以把握其实际影响程度,但这也是引起梁端抗弯能力超强的一个可能原因。51梁筋用量受重力荷载组合控制所造成的超配在7度0110g和0115g区,甚至8度区,因地震作用偏小,梁端纵筋和跨中纵筋用量有可能受非抗震条件下重力荷载为主的组合弯矩控制。由于跨中下部钢筋全部伸入支座,这导致梁端下部钢筋用量亦由重力
12、荷载为主的组合弯矩控制。从而使梁端上、下部实际钢筋用量与地震作用参与的组合弯矩所需的钢筋用量相比形成超配。112结构动力反应过程中的柱端弯矩增大或抗力减小由于钢筋混凝土结构具有非常明显的非弹性特征,因此在地震作用下实际处于非弹性受力状态的结构的真实内力与按弹性分析得出的结构内力有明显的差异。以框架结构为例,在进入屈服状态之前,不同受力特征的构件弯曲刚度就将随其受力程度的增长而发生不同程度的变化,且各类构件的刚度还将因剪切变形、纵筋锚固段的粘结滑移以及斜裂缝的发展导致纵筋内力重分布等因素的影响而发生变化。这种刚度变化将导致结构构件之间的内力重分布以及结构动力反应特征的不断变化,而动力反应特征的变
13、化又将引发进一步的内力重分布。在结构进入屈服状态之后,这种变化就更为明显。随着塑性铰的陆续出现,各构件之间及各楼层之间的刚度比例不断发生变化,这就将进一步引起结构动力反应特征和各构件内力分布规律的更强烈变化。在这个复杂的结构动力反应过程中,有以下两个因素对柱的受力不利: 1)就各个框架柱段而言,内力重分布引起柱反弯点的位置在反应过程中产生移动,就会导致柱两端弯矩比和节点上、下柱端的弯矩比均发生变化,从而可能使柱的某一端弯矩增大以致超过其设计弯矩; 2)在地震作用下,框架柱的轴力会发生较大的变化,尤其是边柱,地震烈度越高,柱的轴力变化幅度越大,当柱轴力变小且处于大偏压受力状态时,其截面抗弯能力将
14、会变小。综上所述,一方面,存在各种因素可能使梁端截面的抗正、负弯矩能力超过其最不利正、负组合弯矩设计值,或者说使梁端抗弯能力超强,另一方面,在强震作用下的复杂非线性动力反应过程中,柱端截面实际内力有可能大于其进行柱2梁强度级差调整后的设计内力,同时柱截面抗弯能力可能会因轴力的变化而减小。因此,合理的柱抗弯能力增强措施应综合考虑以上两方面的不利影响,才能在框架结构中实现真正的强柱弱梁。下面通过典型框架结构的设计算例,考察框架柱梁的实际抗弯强度比及其规律,并通过多波输入的非线性地震反应分析来识别其实际抗震性能。2 !9为了研究框架和框架2剪力墙结构抗震性能,以5个3跨6层的框架结构展开讨论。其余算
15、例见文 2 5。211设计及相关参数图1 5个框架算例的轴线尺寸及梁、柱截面尺寸图1所示的5个平面框架,分别属于7度0110g和0115g区, 8度0120g和0130g区以及9度0140g区,均按类场地,第一设计分组进行抗震设计。该5个框架的轴线尺寸、层数及高度完全相同,梁、柱截面如图1所示。结构所承受的楼面恒载按常规作法取为6410kNPm2,而楼面活荷载则取为315kNPm2。梁、柱的混凝土强度等级为C30,纵筋采用HRB335级,现浇板厚100mm。在选用梁、柱截面尺寸以及混凝土强度等级时,控制底层柱的轴压比接近但不超过规范规定的轴压比限值,且使框架在多遇地震作用下的层间侧移接近但不超
16、过规范规定的小震变形控制条件。同时,在梁、柱截面选筋时,除因构造习惯而导致的配筋增大以外,尽可能不再人为增大钢筋面积。此外,各层柱的配筋都是按其上下端所需配筋量的较大值贯通布置的。可以认为,这样设计出来的框架满足规范的最小要求而且会处于偏不利的受力状况。另外,为了避免商业结构设计软件中可能存在的对设计过程的人为调控,采用SAP2000软件进行结构内力分析和内力组合,严格按规范规定的抗震措施进行内力调整,然后利用自编的工具软件,严格按调整后的组合内力及规范给出的抗震构件截面设计方法进行构件的配筋计算。图2给出了各框架的梁、柱截面配筋。图2 5个框架算例的梁、柱截面配筋212所设计框架结构的实际柱梁强度级差按照框架实际配筋计算出梁、柱端各控制截面的实际抗弯能力后,根据各杆端实际抗弯能力求得的框架各节点顺时针和逆时针方向的柱、梁强度比(或柱、梁强度级差系数,简称级差系数)示于图3中。顶层节点按现行规范不需采取强柱弱梁措施,故没有示出。需要说明的是,计算抗
