11“减法”思维是实现“强柱弱梁”的有益补充

18 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 交流 Building Structure We learn we go “减法”思维是实现“强柱弱梁”的有益补充 钟 阳，李海山/云南省建筑工程设计院，昆明 650041 0 前言 2010版《建筑抗震设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》（GB50011—2010）（简 称新《抗规》）注意汲取了近年汶川、玉树地震的经验教训， 显著的特点之一是提高了对框架结构的设计要求，尤其是框 架柱，这是对实际震害中“强梁弱柱”现象的现实反映。新《抗 规》采取的“加法”措施符合“加强”的思维模式，大众接受度 高，笔者在此提出“减法”思路，以丰富工程结构的设计手段 和相关思考。 1 新《抗规》的相关内容 基于部分框架结构在震害中不如人意的表现，新《抗规》 对纯框架结构体系做了以下三方面的调整：1）适用高度降 低，基本降低幅度在 5m；2）抗震等级调整，集中在高度 24~30m 间建筑，抗震等级均提高一级；3）框架柱内力增 大系数提高，见表 1~3。 柱端弯矩增大系数 表 1 框架抗震等级 一级 二级 三级 四级 2001版《抗规》 1.4 1.2 1.1 1.0 2010版《抗规》 1.7 1.5 1.3 1.2 底层柱下端弯矩增大系数 表 2 框架抗震等级 一级 二级 三级 四级 2001版《抗规》 1.5 1.25 1.15 1.0 2010版《抗规》 1.7 1.5 1.3 1.2 柱剪力增大系数 ηvc 表 3 框架抗震等级 一级 二级 三级 四级 2001版《抗规》 1.4 1.2 1.1 1.0 2010版《抗规》 1.5 1.3 1.2 1.1 在新《抗规》的试设计中，框架柱的配筋量普遍提高幅 度在 20%左右（实际工程中，由于多数地区设计地震分组 也进行了调整，多层框架结构的配筋量提高幅度更大），即 便如此，包括部分规范编制人在内的众多专家、学者、工程 师仍认为目前的提高幅度尚不能保证框架结构在地震作用 下“强柱弱梁”的预期实现，新《抗规》的上述变化留下一种 “技术性妥协”的疑惑，业界对“强柱弱梁”有效实现的研究尚 无便于设计者实际应用的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。 新《抗规》必然会产生一个推广框架-剪力墙结构，适 当限制纯框架结构的导向效应，从提高结构赘余度，实现抗 震多道防线这一角度无疑是正确的，而我国基本国情决定了 钢筋混凝土框架结构在很长时间内仍将是主要的结构体系 之一，对框架结构“用而疑之”自无益处，有针对性的深入研 究十分必要。 2 震害 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 及数理推导 据震区实地调查并参考众多震害资料，“强梁弱柱”的震 害主要出现在底框结构体系和纯框架体系建筑中的梁柱节 点位置，在框剪体系中节点震害程度并不严重。 底框建筑的代表性破坏模式为底层柱头钢筋受压屈服、 混凝土压溃以及底层柱头受剪破坏（图 1）；这在很大程度 上是底框结构自身决定的：底层托梁作为转换梁，无论截面 尺寸和配筋量常远大于柱，同时托梁客观上与其上多层约束 砌体墙构成深梁，在梁柱关系中更胜一筹。特别在一些低设 防烈度地区，底层往往少设抗震墙甚至未设抗震墙，由于结 构先天不足，“强梁弱柱”难以避免，工程师亦无力回天， 震害惨痛。只因其建设成本低于全框架结构，在中西部地区 仍有使用，相信随着社会技术经济的不断进步，带有一定历 史发展阶段色彩的底框结构将会受到更严格的限制并最终 被淘汰。 图 1 底框结构底层梁柱节点破坏 大量发生在纯框架体系中的“柱铰”破坏形态出乎意料， 并引发了广泛的思考。常规“破坏-加强”的思维逻辑自然会 引导我们关注对框架柱的进一步加强，但应该注意到，汶川、 玉树地震中大多数地区遭遇的是超烈度地震，其地震强度达 到当地设防烈度中震甚至大震的水平，在数倍于预期的地震 荷载下出现柱的破坏就工程技术角度而言是正常的，反常的 是设想的“梁铰”没有出现，这其实已经说明“弱梁”其实一点 不弱。 在基本承载能力得到保证的前提下，“强柱弱梁”的核心 是一种相对关系，一种结构意义上的“平衡”。可以认为，在 框架结构中，梁柱构件的基本承载能力用以保障结构正常使 用和“小震不坏”，而适当的梁柱结构关系才能保证建筑“大 震不倒”。限于人类对地震的认识水平，地震烈度区划存在 较大的局限性，建筑遭遇超预期地震将难以避免，结构的大 震性能至关重要。 “强柱弱梁”在工程设计上表现为两者刚度和强度的差 异化控制，“加法”思路就是加大柱截面尺寸和增大柱的配 筋，使框架柱处于优势地位。 在寻求两个因子相对差异最大化时，收敛的减法比扩张 的加法更有效率，且耗用的总资源更少。假设以往的梁柱强 弱关系比为 6:5（强梁弱柱），资源量 11；加法改善是使之 19 Building Structure 设计交流 We learn we go 达到 6:7（强柱弱梁），总资源 13，差异比为 17%；减法改 善是使之达到 4:5（强柱弱梁），总资源 9，差异比是 25%； 如果同时采用加减法，强弱关系比改善为 5:6（强柱弱梁）， 则总资源 11，差异比 20%。三种方法中，纯加法耗用资源 最多，但相对差异比最小，综合效果居末位。 上述“资源”可以简化理解为构件截面尺寸或实配钢筋， 在相对关系更为重要的情况下，工程师应理智地舍弃无益的 超额刚度与强度，“结构平衡”是设计的唯一目标。在节点位 置，梁的超强发挥将是柱的灾难。 3 工程手段 目前业内已有共识认定影响梁柱关系的关键因素是楼 板，以往对此认识不足。常见的肋型梁板框架结构中，楼板 从刚度和强度两方面为梁提供了很大的支持，常规计算中未 有全面反映，导致梁柱实际结构关系与预期的落差，震害出 乎意料。与之形成对比的是板柱结构，因其梁板一体，截面 高度小、刚度小，柱帽在解决冲切的同时成为对柱的有效加 强，构成“强柱弱梁”的理想模式，新《抗规》对板柱结构放 宽使用限制或有此意。 既然“弱梁”其实不弱，“减法”思路就是将重点放在适当 削弱节点框架梁，从而优化柱梁结构关系。 在具体工程设计中，“减法”的实现可以从以下方面着 手。 3.1 楼板钢筋 在梁的正截面受弯设计中，充分考虑楼板的翼缘作用， 支座处梁为倒 T 形截面，将有效翼缘内配置的板钢筋也视 作梁钢筋的一部分，从梁计算配筋的总量中扣除，粗略估计 可调整幅度会在 6%~10%之间。该方法涉及到受拉区有效翼 缘的确认，且楼板钢筋和梁主筋的直径差异很大，有效高度 也不同，如何充分发挥作用难以确定，虽然理论上成立，但 在没有足够试验研究的支持下，工程中还难以推广。 由此可衍生出对常规板配筋的改进 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，即在梁有效翼 缘宽度内适当减少顺梁方向的板筋，且该位置板筋长度减 短。从板的应力分析可以看出，此时板受力主要是垂直梁方 向的板顶受拉，减少顺梁方向板配筋几乎不会影响板的有效 强度，见图 2。 图 2 部分板钢筋成为梁翼缘钢筋 3.2 裂缝 在很多工程中裂缝因素成为框架梁配筋的控制条件，这 是不正常且有害的，可能会直接导致框架梁的超强。随着高 强钢筋（如 HRB550 级钢筋）的推广应用，这一情形有所 增加，这一定程度上限制了高强钢筋的强度充分发挥。因此， 有必要深入研究工程中钢筋混凝土受弯构件裂缝的计算及 危害，适当放宽梁（尤其支座处）裂缝控制条件，且正常情 况下支座位置均被建筑楼面装修层所覆盖，钢筋因构件开裂 而锈蚀导致降低其强度和耐久性的可能性极小。设计人员在 实际工作中对类似情况应慎重对待，不应简单根据电算裂缝 结果增大梁配筋。 优化框架梁裂缝计算还有一个简单有效的办法，即用 T 形截面替代目前电算程序中的矩形截面（图 3），只需要在 程序中做一点点改进。 图 3 裂缝验算时的梁截面形式 3.3 锚固 对于多跨连续框架梁，中柱两侧的梁底钢筋均需锚入框 架柱内，实际工程中往往形成两侧梁底筋互锚，呈相互加强， 抗弯能力大幅度提高，传统的弯筋做法符合强剪弱弯的抗震 原则，有其合理的一面。 对此，一方面建议放宽梁底筋全部锚入柱的要求，另一 方面允许和鼓励在柱位置两侧梁底筋对焊并认可其锚固效 果。 3.4 翼缘抗剪 在梁的斜截面受剪计算中，考虑楼板翼缘的抗剪作用， 从而减少因框架梁抗剪截面条件不满足而增大梁截面尺寸， 导致梁刚度过大的情况出现。工程中对梁翼缘抗剪的作用认 识不一，从纯材料力学观点翼缘基本就没有贡献，如何考虑 缺乏统一有效的方法，在实际工程中考虑翼缘抗剪还需要深 入研究。 3.5 双筋梁设计 笔者推荐对框架梁支座采用双筋梁设计替代目前常用 的单筋梁设计（图 4），以非预应力钢筋混凝土框架梁受弯 设计为例： M=fcbx(h0-x/2)+fy ’As ’(h0-as ’) 通过考虑受压钢筋的作用，可以有效减少受拉钢筋配筋 量，更重要的是有利于控制受压区高度，减少了常见的因受 压区高度超限而加大梁高的现象。在强度相同的情况下，按 双筋梁设计的梁截面尺寸相对较小，梁刚度大幅降低。如梁 高 700改为 600，其截面惯性矩将下降 40%，与框架柱的相 对刚度关系将大为改善，对于“强柱弱梁”目标十分有利。采 用宽扁梁也可以起到部分效果，不过将付出建筑上和经济上 的代价，包括混凝土量和钢筋量的增加。 双筋梁设计法符合现有钢筋混凝土设计理论，没有任 20 设计交流 Building Structure We learn we go 何理论风险，只是计算上复杂一些。 图 4 单筋梁向双筋梁的变化 4 双筋梁设计的实用方法 在双筋梁的设计计算中由于受压区高度 x、受压钢筋 As ’、受拉钢筋 As均为未知，力学方程联立无法解出，常用 设定受压区高度达到界限受压区高度即 x=xb=ξbh0，作为已 知条件从而求出配筋量，此时截面受压钢筋和受拉钢筋的总 量最小，但受拉钢筋的配筋量最大，对于多数情况并不适用， 也不是希望达到的目标。 笔者建议采用分步设计法：在框架梁的配筋设计中，首 先按单筋法确定跨中梁底配筋，工程中框架梁全部钢筋均需 锚入柱内，在支座截面梁底钢筋即可按受压钢筋考虑。虽然 地震荷载下支座截面梁底有可能受拉，但与梁顶受拉不在同 一工况，即便进行折减，有效的受压钢筋面积仍然可观，在 确定受压钢筋面积 As’后就可计算出受压区高度 x（需要满足 限制条件：x≥2as和 x≤ξbh0），再计算支座梁顶受拉钢筋量 As 即设计完成。上述设想在设计电算程序中的实现并不复 杂，也不会影响设计效率。 常用框架梁截面中，单排配筋 as=35mm，双排配筋 as=60mm，x的底限分别为 70，120mm；常用的 HRB335， HRB400，HRB550级钢筋中，ξb分别等于 0.55，0.52，0.49。 ξb=0.8/[1+fy/(Esεcu)] =0.8/[1+fy/(2.0×10 5×0.0033)] =0.8/(1+fy/660) 这意味着受压区高度 x将约在 0.1h0和 0.5h0间变化，相 应截面力臂 h0-x/2将在 0.75h0和 0.95h0间变化。当受压钢筋 量较大时，即 x=2as，此时力臂最大，截面的抗弯能力得以 最大发挥，梁的受拉钢筋配筋将最小，配筋量和截面尺寸均 为最优化值，也是梁柱相对关系最理想化的状态。 工程试算表明，按双筋梁设计梁支座截面负筋将可以减 少约 10%~20%，或者可以相应降低梁高。对“强柱弱梁”而 言，刚度关系更有决定性，减小梁截面将比减少梁配筋更为 重要，自然还有节约混凝土、改善使用功能的附带好处。工 程中钢筋及混凝土的材料超强难以预计和控制，而构件截面 的几何特性则是确定的。 5 结语 影响框架柱梁结构关系的因素很多，“强柱弱梁”的建构 也非一举一时之功，梁与柱的承载力是构成强柱弱梁的两个 主要的对立因素，实际工程中应采取综合措施而不是简单地 强调其中某一方面，文中提出的“减法”思维只是一种新的思 路，其中一些内容尚缺乏实践的检验，还有许多具体的工作 需要落实。本文旨在抛砖引玉，希望能有助于“强柱弱梁” 这一框架结构抗震核心问题的全面解决。 作者简介：钟阳，硕士，总工程师，正高级工程师， Email： kakekuku007@163.com。 （上接第 28页） 受剪截面应符合下列条件： x c c 0 RE 1 0.2 cosV f bh    （11.4.9-1） y c c 0 RE 1 0.2 sinV f hb    （11.4.9-2） 斜截面受剪承载力应符合下列条件：   ux x 2 ux uy1 tan / V V V V   （11.4.10-1）   uy y 2 uy ux1 tan / V V V V   （11.4.10-2） （2）在构造要求方面：混凝土结构抗震等级确定方法 与原规范不同；考虑地震作用组合的框架梁，新规范取消了 梁端纵向受拉钢筋配筋率“不应”大于 2.5％的限制，改为“不 宜”；框架柱和框支柱的全部纵向受力钢筋最小配筋率要求 与原规范不同，新规范规定见表 3。柱轴压比限值也与原规 范不同，新规范按表 4进行控制。均需注意小注内容。 柱全部纵向受力钢筋最小配筋百分率/％ 表 3 抗震等级 柱类型 一级 二级 三级 四级 中柱、边柱 0.9（1.0） 0.7（0.8） 0.6（0.7） 0.5（0.6） 角柱、框支柱 1.1 0.9 0.8 0.7 柱轴压比限值 表 4 抗震等级 结构体系 一级 二级 三级 四级 框架结构 0.65 0.75 0.85 0.90 框架－剪力墙结构、筒体结构 0.75 0.85 0.90 0.95 部分框支剪力墙结构 0.60 0.70 — 5 结语 除了上述内容外，还有钢筋锚固长度、抗震设防烈度等 修改，在此不一一列举。工具箱还会根据《高层建筑混凝土 结构技术规程》（JGJ3—2010）做相应修改并及时更新。 【注】有关世纪旗云软件的更多信息可登陆 www.sjqy.com.cn。 作者联系电话：010 – 82050979，82050901，Email：support@sjqy.com.cn。