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强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件

作者: 来源:原创 日期:2018-03-30 15:20:28 人气:0 加入收藏 评论:0 标签:

结构设计中,为了达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防要求,我们需要从多方面对工程设计进行把控,其中“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”是框架部分抗震设计应遵守的重要原则。考虑到钢筋混凝土框架由于自身特性,它的抗地震倒塌能力与其破坏机制密切相关,故根据上述原则,我们期望当大震作用时框架能够按如下方式发生破坏:

1)梁先于柱破坏。梁的破坏是构件破坏,属于局部性的破坏,而竖向构件的破坏会危及整体结构的安全性,造成结构倒塌,故柱比梁重要,最先保证柱的安全;

2)保证构件的抗剪能力应好于抗弯能力。“剪切破坏”是一种脆性破坏,没有预兆,瞬时发生;“弯曲破坏”是延性破坏,是有所预兆的,工程中我们需要避免发生剪切破坏,在弯曲破坏之前不发生剪切破坏;

3)节点的承载力应高于连接的构件,如果节点发生破坏则意味着与之连接的梁柱均失效。

强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件

然而,现实中的效果并非如预期设想。以汶川地震为例,震害现场调查发现:柱剪切破坏严重,梁柱节点区破坏严重;框架柱上下端出现塑性铰,我们几乎没有看到设计规范所要求的强柱弱梁破坏机制的出现,典型震害现场如下图:

强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件

造成这种问题的因素很多,例如设计计算的缺陷、抗震构造的不合理和理论研究的滞后等,本文将结合规范,分析其计算方法及影响因素,并详细介绍如何体现“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”设计。

规范规定

1强柱弱梁的相关规定

《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)(以下简称《抗震规范》)第6.2.2条:一、二、三、四级框架的梁柱节点处,除框架顶层和柱轴压比小于0.15者及框支梁与框支柱的节点外,柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求:

强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件

一级的框架结构和9度的一级框架可不符合上式要求,但应符合下式要求:

强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件

当反弯点不在柱的层高范围内时,柱端截面组合的弯矩设计值可乘以上述柱端弯矩增大系数。

同理《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)(以下简称《高规》)6.2.1、6.2.2、10.2.11条、《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)(以下简称《混凝土规范》)11.4.1条。

为避免出现框架结构柱下端过早屈服,影响整个结构的抗倒塌能力,需对结构底层乘以弯矩增大系数,即《抗震规范》6.2.3条:一、二、三、四级框架结构的底层,柱下端截面组合的弯矩设计值,应分别乘以增大系数1.7、1.5、1.3和1.2.底层柱纵向钢筋应按上下端的不利情况配置。

由上文可知,规范提出的方法是:

1)柱端弯矩设计值增大系数法,将梁、柱之间的承载力不等式转为梁、柱的地震组合内力设计值的关系式,并使不同抗震等级的柱端弯矩设计值有不同程度的差异;

2) 针对一级框架采用考虑梁端实配钢筋面积和材料强度标准值计算的抗震受弯承载力确定柱端弯矩设计值方法,考虑楼板钢筋可提高“强柱弱梁”程度。

2强剪弱弯的相关规定

《抗震规范》第6.2.5条 一、二、三、四级的框架柱和框支柱组合的剪力设计值应按下式调整:

强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件

一级的框架结构和9度的一级框架可不按上式调整,但应符合下式要求:

强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件

《抗震规范》第6.2.4条 一、二、三级的框架梁和抗震墙的连梁,其梁端截面组合的剪力设计值应按下式调整:

强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件

一级的框架结构和9度的一级框架梁、连梁可不按上式调整,但应符合下式要求:

强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件

同理《高规》6.2.5条、7.2.21条,《混凝土规范》11.4.3条。

规范考虑“强剪弱弯”设计如“强柱弱梁”设计,不同抗震等级的梁、柱采用不同剪力增大系数,同样考虑材料实际强度和钢筋实际面积两个因素的影响。

3强节点弱构件的相关规定

《高规》6.2.7条 抗震设计时,一、二、三级框架的节点核心区应进行抗震验算;四级框架节点可不进行抗震验算。各抗震等级的框架节点均应符合构造措施的要求。

目前《混凝土规范》11.6小节,《抗规》附录D均提供具体的节点核心区验算方法。

强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”设计的影响因素

目前我国现行规范对强柱弱梁设计的规定,是基于纵筋实配不超过计算配筋10%的前提给出的。但鉴于地震影响的复杂性,难以精确考虑,10%的钢配超筋也并非代表工程设计中的实际情况,因此“即使按强柱弱梁设计的框架,在强震作用下,柱端仍有可能出现塑性铰”为了尽量避免出现这种情况,我们需要分析其主要影响因素,以便有的放矢的控制强柱弱梁设计:

1梁端钢筋超配和钢筋实际强度超强

1)根据上文式(1)可知,梁端负弯矩越大,则对框架柱的要求越高,适当降低梁端负弯矩,有利于强柱弱梁的实现;

2)在我们的设计中下筋是正弯矩受拉筋和负弯矩受压筋,最终面积包络取二者较大值,当梁底配筋由梁跨中正弯矩控制时,会导致梁端下部钢筋过多,造成梁端正弯矩超配;

3)实际工程设计中,实配钢筋通常会大于计算钢筋,如果大于10%超配系数的前提,则更不利于推迟柱端塑性铰;

4)一些国家的设计规范对预期塑性铰部位的钢筋材性指标有更为严格的规定,我国暂时还没有具体规定,但实际工程可能出现超强的情况。

2楼板影响

《抗规》6.2.2条条文说明提到“当计算梁端抗震受弯承载力时,若计入楼板的钢筋,则可提高框架强柱弱梁的程度”,但如何考虑并没有更为具体的规定。

当我们为了体现楼板与梁共同工作,常在设计中采用梁刚度放大系数法来考虑楼板对框架梁抗弯刚度的提高,但这样会导致计算分析后得到的梁端弯矩比按矩形

截面梁处理的结果偏大,因为配筋的时候是将这样计算得到的纵筋结果全部配置在矩形截面内,且楼板设计时重叠钢筋面积也没有被扣除,所以无形会导致梁钢筋出现超配。

国内外许多试验表明,楼板内的钢筋会使框架梁的实际抗弯承载力增大20~30%,甚至更多,即便不考虑其他因素,楼板配筋对框架梁端实际受弯承载力的增大幅度,对于大多二、三级框架,都会超出规范规定的柱端弯矩增大系数,乃至一级框架也可能会不满足强柱弱梁要求。

3压弯破坏降低柱抗剪承载力

在柱强剪弱弯的设计方面,即使柱端首先发生弯曲形成塑性铰,巨大的轴压也容易使混凝土压溃而发生剥离脱落,从而严重削弱柱端抗剪能力,出现剪切破坏。因此,需要考虑压弯破坏对柱端抗剪承载力降低的影响,采用相关的构造技术,防止柱混凝土强度退化,充分保证“强剪弱弯”

结束语

“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”是结构设计所需遵守的重要原则,它们的屈服机制是地震来临时,我们理想的、所期望的,但现实中有很多因素导致其实现的可能性降低。作为结构设计人员,应该充分认识理解这些影响因素,吸取地震灾害的经验教训,从工程的实际受力状况考虑,采用合理的软件计算模型和分析方法,将这些影响因素纳入整体结构设计计算中,保证“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”屈服机制的实现。

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