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強柱弱梁(strong column and weak beam)指的是使框架結構塑性鉸出現在梁端的設計要求。用以提高結構的變形能力,防止在強烈地震作用下倒塌。「強柱弱梁」不僅是手段,也是目的,其手段表現在人們對柱的設計彎矩人為放大,對梁不放大。其目的表現在調整后,柱的抗彎能力比之前強了,而梁不變。即柱的能力提高程度比梁大。這樣樑柱一起受力時,梁端可以先於柱屈服。

1 強柱弱梁 -基本簡介

強柱弱梁是一個從結構抗震設計角度提出的一個結構概念。就是柱子不先於梁破壞,因為梁破壞屬於構件破壞,是局部性的,柱子破壞將危及整個結構的安全---可能會整體倒塌,後果嚴重。要保證柱子更「相對」安全,故要「強柱弱梁」。

2 強柱弱梁 - 來歷

強柱弱梁強柱弱梁--結構對比

二十世紀70年代後期,紐西蘭的T.Paulay和R.Park提出了保證鋼筋混凝土結構具有足夠彈塑性變形能力的能力設計方法。該方法是基於對非彈性性能對結構抗震能力貢獻的理解和超靜定結構在地震作用下實現具有延性破壞機制的控制思想提出的,可有效保證和達到結構抗震設防目標,同時又使設計做到經濟合理。

能力設計方法的核心是,(1)引導框架結構或框架-剪力牆(核心筒)結構在地震作用下形成梁鉸機構,即控制塑性變形能力大的梁端先於柱出現塑性鉸,即所謂「強柱弱梁」;(2)避免構件(梁、柱、牆)剪力較大的部位在梁端達到塑性變形能力極限之前發生非延性破壞,即控制脆性破壞形式的發生,即所謂「強剪弱彎」;(3)通過各類構造措施保證將出現較大塑性變形的部位確實具有所需要的非彈性變形能力。

到二十世紀80年代,各國規範均在不同程度上採用了能力設計方法的思路。
能力設計方法的關鍵在於將控制概念引入結構抗震設計,有目的的引導結構破壞機制,避免不合理的破壞形態。該方法不僅使得結構抗震性能和能力更易於掌握,同時也使得抗震設計變得更為簡便明確,即後來在抗震概念設計中提出的主動抗震設計思想。

3 強柱弱梁 -造成原因

強柱弱梁強柱弱梁--造成原因

第一,樓板的作用,在我們的結構設計中一般都是不考慮樓板參與整體計算的,大部分情況下是直接將荷載倒算的樑上,而在計算水平荷載(地震跟風荷載)的時候考慮樓板對梁剛度的提高作用,用一個中梁剛度放大係數(及邊梁剛度放大係數)來考慮樓板的作用,但梁配筋的時候又只考慮矩形截面,這樣一來形成了本來是T型梁承受荷載,鋼筋卻完全集中在矩形截面中,而T型截面的翼緣也沒有少陪鋼筋(因為板中鋼筋不能少配),這從無樑樓蓋的配筋形式中可以發現我們現階段採用的設計方法一方面是非常費,另一方面還吃力不討好,對抗震規範的基本要求「強柱弱梁」沒有任何好處(其實還起到壞處)。所以,在以後的設計中應加強對樓板的利用,讓樓板參與計算必將是大勢所趨。

第二,程序計算過程中沒有考慮柱剛域的影響,在實際設計過程中對梁支座鋼筋的超配,支座處裂縫驗算對支座鋼筋的加大(說明:樓板及其配鋼筋對裂縫大有幫助)等都是造成「強梁弱柱」的罪魁禍首。

第三,由於實際工程中都少不了砌體牆,而地震作用下砌體牆與梁一起運動,無疑對梁有一個較大的加強作用。而柱子一般情況下都是無依無靠的,任何情況下都只能靠自己的作用,也是造成「強梁弱柱」的一個原因。

第四,在經常用到的SATWE計算程序中對柱的配筋計算仍不科學,眾所周知,柱是典型的偏壓構件,針對一定的柱子就可以得出其柱子的N-M相關曲線(即柱子的尺寸、混凝土型號、鋼筋等一定,就可以得出其破壞的包絡曲線),而SATWE程序在計算柱子配筋時採用的極值法配筋確實不安全的,可以認為柱子在設計階段就讓它有可能是「缺陷柱」。

第五,地震作用下豎向地震對柱子的破壞作用將是致命的,從上圖也可以看出,在大偏壓情況下(M大,N小)隨著軸力的減小柱子越發不利,這也是形成「強梁弱柱」的一個原因。

4 強柱弱梁 -發展現狀

強柱弱梁強柱弱梁式結構圖

現行規範中提到的「強柱弱梁」設計思想,希望塑性餃出現在梁端,不要出在柱子端部,起到個很好的耗能增強延性且結構不至於垮塌的抗震思想。

但是,2008年的5.12大地震過後,很多專家學者提出了「強柱弱梁」的構想在實際地震作用下,並沒有實現其目的。絕大部分框架結構的破壞,都是出現在柱子的端部,梁的端部並沒有出現明顯的損傷。本人在綿竹、綿陽那邊發現梁端壞且柱端沒有壞的案例好像只有兩個。一個是一個學校的體育館外面的結構,柱子比框架梁大很多,此梁端部出現明顯的塑性餃破壞,柱子沒有出現任何破壞;另外一處是在漢旺鎮的一個人壽保險辦公大樓里,該框架的縱向連繫梁端出現了塑性餃,橫向主框架梁沒有出現,並且這個樓面結構是預製樓板。在其餘的眾多現澆樓板的框架結構里,很難發現梁端出現塑性餃的破壞形態,基本都是柱子端部破壞。這是地震作用,在水平力作用下。

那麼對於豎向作用力了,根據這幾年碰到的實際工程,主要是一些地基的不均勻沉降。這種不均勻沉降產生的梁端彎矩和剪力類似與豎向作用力吧。在這些破壞的結構中,遇到過一些僅在柱端壞的,梁端沒有壞的;另外,即使梁端壞也是梁端底部損壞,梁頂幾乎沒有遇到損壞的。

所以,有專家指出現澆樓板對梁端的貢獻絕對不能忽略,實踐工程的破壞也充分說明了這點。這方面的原因解釋和分析值得好好研究研究。相關規範是否需要作一定的調整調整。

5 強柱弱梁 -歷史事件

2001年Seneviratna等對強柱弱梁型、強梁弱柱型和底部大空間三種破壞機制的單跨框架結構,屈服限制在底層的剪力牆的地震需求進行了研究,認為層間延性需求和破壞機制有第一章緒論關。

結論是按照1981年日本建築規範按強柱弱梁要求設計的預應力混凝土結構的抗震機理和性能良好,預應力混凝土結構是可以在地震區應用的。

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