结构抗震概念——强柱弱梁

2019-01-10 15:40:40 xf

强柱弱梁是一个从结构抗震设计角度提出的结构概念。要求结构柱子的承载力大于梁的承载力,必须是柱子不先于梁破坏,因为梁破坏属于构件破坏,是局部性的,柱子破坏将危及整个结构的安全---可能会整体倒塌,后果严重。平时在抗震设计中用的比较多。



一、“强柱弱梁”的震害照片



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地震中倒塌的教学楼


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台湾地震中倒塌的酒店


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从以上照片可以看出强梁弱柱的危害确实很大,而这些危害也会影响到人在地震时逃生的时间和通道的问题,在柱子倒塌的情况下,人们逃生的机会也就变得渺茫。


其实强柱弱梁从性能化角度来分析是属于构建层面的范畴,直接影响了结构整体的安全性。而在抗震三水准(大震不倒,中震可修,小震不坏)中只有大震时候才能够体现到这一点,但不论大震、中震还是小震都应该满足强柱弱梁的这个要求,也就是说,柱子必须晚于梁出现塑性铰。再基于抗震的三种方法(强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱构件)从概念角度分析,强柱弱梁是很科学,但从以上照片中可以看得出在实际应用中并不很理想。



二、力学基本概念



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在上图中:左图是梁先出现了塑性铰,梁通过出现塑性铰来耗散地震力,来确保结构的安全,柱子晚于梁出现塑性铰,这样结构虽会产生局部的破坏,但结构整体的安全性还是有所保障。右图中底层柱子出现了塑性铰,但梁并没有受到破坏,这种机构在地震水平力作用下就很容易出现倒塌,所以我们要做的就是实现左图这样的理念。



三、强柱弱梁实相的本质



这里我们引出以下两个公式:


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我们也都清楚结构的稳定离不开力学的支持,那么我们也可以说其本质也就是柱子和梁之间力的对抗。首先,第一个公式指的是柱子的弯矩之和必须大于梁的弯矩只和,第二个指的是柱子的抗剪能力必须大于梁的抗剪能力,这样才能确保柱子晚于梁之后出现破坏。那要实现强柱弱梁,就必须使柱子极限抗承载能力大于梁的极限抗承载能力。


在抗震设计中,除顶层、柱轴压比小于0.15及框支梁柱节点外,框架的梁、柱节点处考虑地震作用组合的柱端弯矩设计值应符合下列要求:


1. 一级框架结构及9度时的框架应满足柱子的弯矩之和等于1.2倍的梁的实际承载能力,即:∑Μc=1.2∑Mbua


2.其他情况下可参考:∑Μc=ηc∑Μb


下面我们截取了上面两个要求的规范部分,大家可以参照作为补充:


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综上呢,我们认为本质上的实现强柱弱梁就该按照6.2.1-1条来验算,也就是只有真实的受力钢筋参与后才能真正映梁和柱的相对承载能力的大小,必须按考虑受力钢筋以后的承载力做为梁与柱的比较,而不是梁与柱计算出来的数值做以比较。若只是把梁的弯矩或者剪力放大若干倍以后来作为柱子的承载力的计算,这样的做法还是欠妥。



四、强柱弱梁难以实现原因分析



1.  软件因素:设计过程中通常考虑楼板对梁刚度的贡献,放大1.5~2倍,使梁端弯矩相应增大,但所增加的配筋全部配置在梁内,楼板仍按自身受力另外配筋。


2.  计算强柱弱梁时,没有考虑楼板钢筋的影响。

3.  没有考虑刚域影响。梁端配筋按照柱中心线位置弯矩配筋,使得配筋大于实际受力所需。


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4.  设计人意识问题:梁出现超配,梁顶部及底部钢筋按照计算所需再人为放大。

5.  填充墙设置,使得柱剪跨比减小,形成短柱。同时砌体填充墙与梁底部强连接,客观上加强了梁刚度,使梁更难先于柱进入塑性。


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6.裂缝计算:按照单筋矩形梁计算,未考虑受压区配筋作用,未考虑受拉区楼板参与工作。导致梁依据裂缝控制时配筋较大。


7.结构刚度突变,形成薄弱层。


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五、强柱弱梁实现对策分析



1.  考虑楼板翼缘内配筋影响,考虑刚域,梁端弯矩调幅。


2.  梁底钢筋不必全部伸入支座(参G101-1图集),部分配筋在计算不需要处截断,减少梁端头部富余的配筋,提高节点延性。


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3.填充墙与梁、柱连接尽量采用柔性连接或采取措施减少对梁、柱刚度影响。尽量采用轻质隔墙。


4.控梁端钢筋超配,荷载、跨度较常规时,可不按裂缝计算结果配筋(大跨度梁校核挠度及裂缝)


5.梁配筋时,采取“上筋不多,下筋不少,总量控制的原则”


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6.考虑框架柱柱端弯矩放大系数,适当降低柱轴压比,适当提高柱配筋。


7.优化结构体系,采用二道防线设计思想,采用框剪或剪力墙等抗震能力更好的结构体系。


8.避免结构刚度突变,特别如底框混凝土结构、框架结构(首层大开间,二层以上填充墙较多)、首层层高较大等情况。


总而言之,强柱弱梁就是一个抗震理念,为了能够更好地抗震。目前我们的建筑对这一点做的并不是很理想。要保证“强柱弱梁”,首先把承载力调整系数改回到提高材料强度上来;其次,要保证梁端出现塑性铰以后柱端的安全。但考虑到影响结构实现强柱弱梁设计机制的因素很多,所以,在实际设计时必须做好有效的设计控制,消除软件缺陷、计算方法等因素的影响,更好地实现结构强柱弱梁机制。



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