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  • 强柱弱梁

    强柱弱梁(strong column and weak beam)指的是使框架结构塑性铰出现在梁端的设计要求。用以提高结构的变形能力,防止在强烈地震作用下倒塌。“强柱弱梁”不仅是手段,也是目的,其手段表现在人们对柱的设计弯矩人为放大,对梁不放大。其目的表现在调整后,柱的抗弯能力比之前强了,而梁不变。即柱的能力提高程度比梁大。这样梁柱一起受力时,梁端可以先于柱屈服。

    编辑摘要

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    基本简介/强柱弱梁 编辑

    强柱弱梁是一个从结构抗震设计角度提出的一个结构概念。就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。要保证柱子更“相对”安全,故要“强柱弱梁”。

    来历/强柱弱梁 编辑

    强柱弱梁--结构对比强柱弱梁--结构对比

    二十世纪70年代后期,新西兰的T.Paulay和R.Park提出了保证钢筋混凝土结构

    具有足够弹塑性变形能力的能力设计方法。该方法是基于对非弹性性能对结构抗震能力贡献的理解和超静定结构在地震作用下实现具有延性破坏机制的控制思想提出的,可有效保证和达到结构抗震设防目标,同时又使设计做到经济合理。

    能力设计方法的核心是,(1)引导框架结构或框架-剪力墙(核心筒)结构在地震作用下形成梁铰机构,即控制塑性变形能力大的梁端先于柱出现塑性铰,即所谓“强柱弱梁”;(2)避免构件(梁、柱、墙)剪力较大的部位在梁端达到塑性变形能力极限之前发生非延性破坏,即控制脆性破坏形式的发生,即所谓“强剪弱弯”;(3)通过各类构造措施保证将出现较大塑性变形的部位确实具有所需要的非弹性变形能力。

    到二十世纪80年代,各国规范均在不同程度上采用了能力设计方法的思路。

    能力设计方法的关键在于将控制概念引入结构抗震设计,有目的的引导结构破坏机制,避免不合理的破坏形态。该方法不仅使得结构抗震性能和能力更易于掌握,同时也使得抗震设计变得更为简便明确,即后来在抗震概念设计中提出的主动抗震设计思想。

    造成原因/强柱弱梁 编辑

    强柱弱梁--造成原因强柱弱梁--造成原因

    第一,楼板的作用,在我们的结构设计中一般都是不考虑楼板参与整体计算的,大部分情况下是直接将荷载倒算的梁上,而在计算水平荷载(地震跟风荷载)的时候考虑楼板对梁刚度的提高作用,用一个中梁刚度放大系数(及边梁刚度放大系数)来考虑楼板的作用,但梁配筋的时候又只考虑矩形截面,这样一来形成了本来是T型梁承受荷载,钢筋却完全集中在矩形截面中,而T型截面的翼缘也没有少配钢筋(因为板中钢筋不能少配),这从无梁楼盖的配筋形式中可以发现我们现阶段采用的设计方法一方面是非常费,另一方面还吃力不讨好,对抗震规范的基本要求“强柱弱梁”没有任何好处(其实还起到坏处)。所以,在以后的设计中应加强对楼板的利用,让楼板参与计算必将是大势所趋。

    第二,程序计算过程中没有考虑柱刚域的影响,在实际设计过程中对梁支座钢筋的超配,支座处裂缝验算对支座钢筋的加大(说明:楼板及其配钢筋对裂缝大有帮助)等都是造成“强梁弱柱”的罪魁祸首。

    第三,由于实际工程中都少不了砌体墙,而地震作用下砌体墙与梁一起运动,无疑对梁有一个较大的加强作用。而柱子一般情况下都是无依无靠的,任何情况下都只能靠自己的作用,也是造成“强梁弱柱”的一个原因。

    第四,在经常用到的SATWE计算程序中对柱的配筋计算仍不科学,众所周知,柱是典型的偏压构件,针对一定的柱子就可以得出其柱子的N-M相关曲线(即柱子的尺寸、混凝土型号、钢筋等一定,就可以得出其破坏的包络曲线),而SATWE程序在计算柱子配筋时采用的极值法配筋确实不安全的,可以认为柱子在设计阶段就让它有可能是“缺陷柱”。

    第五,地震作用下竖向地震对柱子的破坏作用将是致命的,从上图也可以看出,在大偏压情况下(M大,N小)随着轴力的减小柱子越发不利,这也是形成“强梁弱柱”的一个原因。

    发展现状/强柱弱梁 编辑

    强柱弱梁强柱弱梁

    现行规范中提到的“强柱弱梁”设计思想,希望塑性饺出现在梁端,不要出在柱子端部,起到个很好的耗能增强延性且结构不至于垮塌的抗震思想。

    但是,2008年的5.12大地震过后,很多专家学者提出了“强柱弱梁”的构想在实际地震作用下,并没有实现其目的。绝大部分框架结构的破坏,都是出现在柱子的端部,梁的端部并没有出现明显的损伤。本人在绵竹、绵阳那边发现梁端坏且柱端没有坏的案例好像只有两个。一个是一个学校的体育馆外面的结构,柱子比框架梁大很多,此梁端部出现明显的塑性饺破坏,柱子没有出现任何破坏;另外一处是在汉旺镇的一个人寿保险办公大楼里,该框架的纵向连系梁端出现了塑性饺,横向主框架梁没有出现,并且这个楼面结构是预制楼板。在其余的众多现浇楼板的框架结构里,很难发现梁端出现塑性饺的破坏形态,基本都是柱子端部破坏。这是地震作用,在水平力作用下。

    那么对于竖向作用力了,根据这几年碰到的实际工程,主要是一些地基的不均匀沉降。这种不均匀沉降产生的梁端弯矩和剪力类似与竖向作用力吧。在这些破坏的结构中,遇到过一些仅在柱端坏的,梁端没有坏的;另外,即使梁端坏也是梁端底部损坏,梁顶几乎没有遇到损坏的。

    所以,有专家指出现浇楼板对梁端的贡献绝对不能忽略,实践工程的破坏也充分说明了这点。这方面的原因解释和分析值得好好研究研究。相关规范是否需要作一定的调整调整。

    历史事件/强柱弱梁 编辑

    2001年Seneviratna等对强柱弱梁型、强梁弱柱型和底部大空间三种破坏机制的单跨框架结构,屈服限制在底层的剪力墙的地震需求进行了研究,认为层间延性需求和破坏机制有第一章绪论关。

    结论是按照1981年日本建筑规范按强柱弱梁要求设计的预应力混凝土结构的抗震机理和性能良好,预应力混凝土结构是可以在地震区应用的。

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