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2021年結構抗震概念——強柱弱梁

強柱弱梁是一個從結構抗震設計角度提出的結構概念。 要求結構柱子的承載力大于梁的承載力,必須是柱子不先于梁破壞,因為梁破壞屬于構件破壞,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,后果嚴重。平時在抗震設計中用的比較多。


一、“強柱弱梁”的震害照片


地震中倒塌的教學樓



臺灣地震中倒塌的酒店



從以上照片可以看出強梁弱柱的危害確實很大,而這些危害也會影響到人在地震時逃生的時間和通道的問題,在柱子倒塌的情況下,人們逃生的機會也就變得渺茫。

其實強柱弱梁從性能化角度來分析是屬于構建層面的范疇,直接影響了結構整體的安全性。 而在抗震三水準(大震不倒,中震可修,小震不壞)中只有大震時候才能夠體現到這一點,但不論大震、中震還是小震都應該滿足強柱弱梁的這個要求,也就是說,柱子必須晚于梁出現塑性鉸。再基于抗震的三種方法(強剪弱彎、強柱弱梁、強節點弱構件)從概念角度分析,強柱弱梁是很科學,但從以上照片中可以看得出在實際應用中并不很理想。


二、力學基本概念



在上圖中: 左圖是梁先出現了塑性鉸,梁通過出現塑性鉸來耗散地震力,來確保結構的安全,柱子晚于梁出現塑性鉸,這樣結構雖會產生局部的破壞,但結構整體的安全性還是有所保障。右圖中底層柱子出現了塑性鉸,但梁并沒有受到破壞,這種機構在地震水平力作用下就很容易出現倒塌,所以我們要做的就是實現左圖這樣的理念。


三、強柱弱梁實相的本質


這里我們引出以下兩個公式:


我們也都清楚結構的穩定離不開力學的支持,那么我們也可以說其本質也就是柱子和梁之間力的對抗。首先,第一個公式指的是柱子的彎矩之和必須大于梁的彎矩只和,第二個指的是柱子的抗剪能力必須大于梁的抗剪能力,這樣才能確保柱子晚于梁之后出現破壞。 那要實現強柱弱梁,就必須使柱子極限抗承載能力大于梁的極限抗承載能力。


在抗震設計中,除頂層、柱軸壓比小于0.15及框支梁柱節點外,框架的梁、柱節點處考慮地震作用組合的柱端彎矩設計值應符合下列要求:


1.  一級框架結構及9度時的框架應滿足柱子的彎矩之和等于1.2倍的梁的實際承載能力,即: ∑Μc=1.2∑Mbua


2. 其他情況下可參考: ∑Μc=ηc∑Μb


下面我們截取了上面兩個要求的規范部分,大家可以參照作為補充:



綜上呢,我們認為本質上的實現強柱弱梁就該按照6.2.1-1條來驗算,也就是只有真實的受力鋼筋參與后才能真正映梁和柱的相對承載能力的大小,必須按考慮受力鋼筋以后的承載力做為梁與柱的比較,而不是梁與柱計算出來的數值做以比較。若只是把梁的彎矩或者剪力放大若干倍以后來作為柱子的承載力的計算,這樣的做法還是欠妥。


四、強柱弱梁難以實現原因分析


1.  軟件因素: 設計過程中通?紤]樓板對梁剛度的貢獻,放大1.5~2倍,使梁端彎矩相應增大,但所增加的配筋全部配置在梁內,樓板仍按自身受力另外配筋。


2.    計算強柱弱梁時,沒有考慮樓板鋼筋的影響。

3.    沒有考慮剛域影響。梁端配筋按照柱中心線位置彎矩配筋,使得配筋大于實際受力所需。



4.  設計人意識問題: 梁出現超配,梁頂部及底部鋼筋按照計算所需再人為放大。

5.    填充墻設置,使得柱剪跨比減小,形成短柱。同時砌體填充墻與梁底部強連接,客觀上加強了梁剛度,使梁更難先于柱進入塑性。



6.裂縫計算: 按照單筋矩形梁計算,未考慮受壓區配筋作用,未考慮受拉區樓板參與工作。導致梁依據裂縫控制時配筋較大。


7. 結構剛度突變,形成薄弱層。



五、強柱弱梁實現對策分析


1.    考慮樓板翼緣內配筋影響,考慮剛域,梁端彎矩調幅。


2.    梁底鋼筋不必全部伸入支座(參G101-1圖集),部分配筋在計算不需要處截斷,減少梁端頭部富余的配筋,提高節點延性。



3. 填充墻與梁、柱連接盡量采用柔性連接或采取措施減少對梁、柱剛度影響。盡量采用輕質隔墻。


4. 控梁端鋼筋超配,荷載、跨度較常規時,可不按裂縫計算結果配筋(大跨度梁校核撓度及裂縫)


5. 梁配筋時,采取“上筋不多,下筋不少,總量控制的原則”



6. 考慮框架柱柱端彎矩放大系數,適當降低柱軸壓比,適當提高柱配筋。


7. 優化結構體系,采用二道防線設計思想,采用框剪或剪力墻等抗震能力更好的結構體系。


8. 避免結構剛度突變,特別如底框混凝土結構、框架結構(首層大開間,二層以上填充墻較多)、首層層高較大等情況。


總而言之,強柱弱梁就是一個抗震理念,為了能夠更好地抗震。 目前我們的建筑對這一點做的并不是很理想。要保證“強柱弱梁”,首先把承載力調整系數改回到提高材料強度上來;其次,要保證梁端出現塑性鉸以后柱端的安全。但考慮到影響結構實現強柱弱梁設計機制的因素很多,所以,在實際設計時必須做好有效的設計控制,消除軟件缺陷、計算方法等因素的影響,更好地實現結構強柱弱梁機制。



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