第37卷第8期 建筑结构 2007年8月 我国混凝土框架结构强柱弱梁措施的实际控制效果 韦锋傅剑平白绍良 （重庆大学土木工程学院400045) [提要]为了识别强柱弱梁措施的实际抗震控制效果，对影响框架结构梁、柱端抗弯能力及二者相对强度的 因素进行了分析归纳严格按中国规范设计出5个不同地震烈度分区的规则平面框架结构考察了这些结构 在采取强柱弱梁措施后其柱、梁之间的实际强度级差系数及其规律，对这些框架进行了多波输入下的非弹性 动力反应分析.
结果表明，在罕遇地震下，9度区（一级抗震等级）框架形成了抗震性能良好的梁较机构；而8 度区二级抗震等级和7度区三级抗震等级的框架形成了以柱较为主或柱较偏多的梁、柱较混合机构.
分析结 果揭示出，在现行强柱弱梁措施的调控下，不同抗震等级的框架结构在强震下所形成的塑性耗能机构存在明 显差异，并可能导致在抗震安全水平上的不一致性.
[关键词框架结构强柱弱梁非弹性动力分析塑性耗能机构抗震性能 Adtual Control Effed of Srongcolumn and Wesk2beam Measures of Reinforcad Concrete Frame Structures in ChinaP Wei Feng Fu Jianping Bai Shaolang( Fauly of Civil Enginering Chongqing Univesity Chongqing 40045 Chin) Abstract: To verify the actual control effedt of the strong2column and weak2beam measures the fickors influencing bending Capacities of columms and beams and their relative strengths are analyzed and summarized. Five regular reinfirced concrele frames are designad confkemed to the Chinee coxde in difere seismic frtification intensity. The achual strength hierarchy between columns and beams are imvestigated affer the columms enhanced. The nonlinear dynamic response analysis of these frames under multi2vave input is carried oul. The results show that under majr carthquake the fame df se isnic grade 1 in carthquake intensity 9 regin foms a beam2hinge mechanism with satisfickory seismic perkomance and the frames of seismic grade 2 in earthquake intensity 8 region and seismic grale 3 in earthquake intensity 7 region form column2hinge2dominated mecdhanisms or ones with mmjority of colum2hinge. The results show the distinat diflerence of plastic energ2dissipated medhanisms of frames in diferent seismic grades under strong motions and the inconsistence in amtiearthquake safety level between these structures which couk be a refernce for the oxde administrative goup. Keywords: frame structures; strong2column and weak2bam measures; nonlinear dynamic analysis;: plastic energy2disspated 0前言 段来检验其实际抗震效果.
钢筋混凝土框架结构是我国地震区广泛使用的一1影响强柱弱梁措施实际效果的两大因素 种结构形式.
我国规范主要通过一系列的抗震措施来111各种原因引起的梁端实际抗弯能力超强 保证按多遇地震设计的结构在更大地震作用下的抗震 在实际设计中，人为因素、构造要求及设计习惯等 性能，其中/强柱弱梁0是一项关键控制措施，其目的是原因均可造成梁端的实际抗弯能力以不同幅度超过其 使框架结构在强震下形成具有较好抗震性能的稳定的组合弯矩设计值.
从典型结构的设计和分析以及国外 屈服后塑性耗能机构，并避免结构形成同层柱端分析结果来看，梁端超强主要来自下列5个方面的原 均出现塑性较的层侧移机构.
抗震设计规范给出了因： GB50011）2001柱端抗弯能力增强系数的取值.
11各种构造原因造成的梁端钢筋超配 在实际工程中，规范所规定的其它抗震措施和配 构造原因包括：1）一定现浇板宽范围内与框架梁 筋设计的一些习惯做法都可能与强柱弱梁措施一起共平行的板筋参与抵抗负弯矩，使梁端抗负弯矩能力增 框架结构届服后的塑性耗能机构类型，最终影响框架 端抗正弯矩能力增大；3）梁下部钢筋整跨拉通，使组 结构在强震作用下的实际抗震性能.
因此，有必要分 合弯矩较小一端的梁下部钢筋增多；4）规范对梁端下 析和归纳框架柱、梁强度比的影响因素，考察框架结构 在设计完成后真实的柱、梁抗弯能力之比，并以有效手 国家自然科学基金资助项日（59878056 5
部纵筋数量应不少于上部纵筋的015倍（一级）或013应特征的不断变化，而动力反应特征的变化又将引发 倍（二、三级）的规定，可使梁端下部纵筋数量超配：5）进一步的内力重分布.
在结构进入届服状态之后，这 当梁下部受拉纵筋用量由抗震条件下的最小配筋率控种变化就更为明显.
随着塑性较的陆续出现，各构件 制时造成的超配；6节点左、右梁上部级筋按设计弯 之间及各楼层之间的刚度比例不断发生变化，这就将 矩较大一侧用量贯通布置，可使设计弯矩较小一侧的 进一步引起结构动力反应特征和各构件内力分布规律 梁端上部钢筋超配.
的更强烈变化.
21人为原因造成的梁端钢筋超配 在这个复杂的结构动力反应过程中，有以下两个 长期以来，一部分结构设计人员出于安全考虑人 因素对柱的受力不利：1）就各个框架柱段而言，内力重 为将各构件控制截面计算所得配筋根据自身经验加分布引起柱反弯点的位置在反应过程中产生移动，就 大.
如果只是人为增大梁端配筋量，而对柱配筋不作会导致柱两端弯矩比和节点上、下柱端的弯矩比均发 增大，这相当于增大了梁的实际抗弯能力，但又未按比 生变化，从而可能使柱的某一端弯矩增大以致超过其 例增大柱抗弯能力，这自然不利于防止柱端届服，从而 设计弯矩；2）在地震作用下，框架柱的轴力会发生较大 对结构整体抗震性能不利.
的变化，尤其是边柱，地震烈度越高，柱的轴力变化幅 31梁筋和柱筋进入届服后状态程度的差异 度越大，当柱轴力变小且处于大偏压受力状态时，其截 在避免柱端出现塑性较的前提下，充分转动的梁 面抗弯能力将会变小.
端塑性较中的纵筋将可能在一定程度上进入强化段， 综上所述，一方面，存在各种因素可能使梁端截面 而柱端纵筋则没有进入届服.
在梁纵筋使用届服平台 的抗正、负弯矩能力超过其最不利正、负组合弯矩设计 较短或无届服平台的钢筋时，这种差异较为明显.
但 值，或者说使梁端抗弯能力超强，另一方面，在强震作 当使用属服平台较长的钢筋时，即使梁较已充分转动， 用下的复杂非线性动力反应过程中，柱端截面实际内 其纵筋应变可能仍未进入强化段.
另外，若对柱端塑 力有可能大于其进行柱2梁强度级差调整后的设计内 性较的出现控制不严，即柱端亦可能进入届服时，这种 力，同时柱截面抗弯能力可能会因轴力的变化而减小.
差异也会相应减小.
因此，合理的柱抗弯能力增强措施应综合考虑以上两 41钢筋强度离散性导致梁筋强度偏高的可能性 方面的不利影响，才能在框架结构中实现真正的强柱 考虑到材料的离散性，在实际工程中存在梁筋实弱梁.
下面通过典型框架结构的设计算例，考察框架 际强度恰遇偏高，而柱筋实际强度恰遇偏低的可能性.
柱梁的实际抗弯强度比及其规律，并通过多波输入的 虽然难以把握其实际影响程度，但这也是引起梁端抗 非线性地震反应分析来识别其实际抗震性能.
弯能力超强的一个可能原因.
2设计算例 51梁筋用量受重力荷载组合控制所造成的超配 为了研究框架和框剪力墙结构抗震性能，以5 在7度0110g和0115g区，甚至8度区，因地震作 个3跨6层的框架结构展开讨论.
其余算例见文[2] 用偏小，梁端纵筋和跨中纵筋用量有可能受非抗震条 -[5] - 件下重力荷载为主的组合弯矩控制.
由于跨中下部钢 211设计及相关参数 筋全部伸入支座，这导致梁端下部钢筋用量亦由重力 图1所示的5个平面框架，分别属于7度0110g和 荷载为主的组合弯矩控制.
从而使梁端上、下部实际 0115g区 8度0120g和0130g区以及9度0140g区 均 钢筋用量与地震作用参与的组合弯矩所需的钢筋用量 按0类场地，第一设计分组进行抗震设计.该5个框 相比形成超配.
架的轴线尺寸、层数及高度完全相同，梁、柱截面如图 112结构动力反应过程中的柱端弯矩增大或抗力减小 1所示.
结构所承受的楼面但载按常规作法取为 由于钢筋混凝土结构具有非常明显的非弹性特 01ng架01g架00g0.0 征，因此在地震作用下实际处于非弹性受力状态的结 构的真实内力与按弹性分析得出的结构内力有明显的 差异.
以框架结构为例，在进入届服状态之前，不同受 力特征的构件弯曲刚度就将随其受力程度的增长而发 生不同程度的变化，且各类构件的刚度还将因剪切变 形、纵筋锚固段的粘结滑移以及斜裂缝的发展导致纵 筋内力重分布等因素的影响而发生变化.
这种刚度变 化将导致结构构件之间的内力重分布以及结构动力反 图15个框架算例的轴线尺寸及梁、柱截面尺寸 6
41kNPm²，而楼面活荷载则取为315kNPm².
梁、柱的混 丰 丰 凝土强度等级为C30，纵筋采用HRB335级，现浇板厚 1.600.6% 100mm.在选用梁、柱截面尺寸以及混凝土强度等级 1.3 1.391. 151.8 1.n .23 1.6 3 时，控制底层柱的轴压比接近但不超过规范规定的轴 ' 1.90 2.25 压比限值，且使框架在多遇地震作用下的层间侧移接 2T810191 KTDT 近但不超过规范规定的小震变形控制条件.
同时，在 梁、柱截面选筋时，除因构造习惯而导致的配筋增大以 N 外，尽可能不再人为增大钢筋面积.
此外，各层柱的配 筋都是按其上下端所需配筋量的较大值贯通布置的.
0.10g 枢裂10.15g张 0.20g| 0.30g 0.40g 相发 1 可以认为，这样设计出来的框架满足规范的最小要求 图3框架各节点处的柱-浆抗弯能力之比 而且会处于偏不利的受力状况.
另外，为了避免商业 结构设计软件中可能存在的对设计过程的人为调控， 由图3可以看出，各框架结构节点处的级差系数 采用SAP2000软件进行结构内力分析和内力组合，严 有以下几个规律：1）边节点的级差系数普遍要比中间 格按规范规定的抗震措施进行内力调整，然后利用自 节点的大；2）边节点处顺时针和逆时针方向的级差系 编的工具软件，严格按调整后的组合内力及规范给出 数相差较大，而中节点处两个方向的级差系数相差较 的抗震构件截面设计方法进行构件的配筋计算.
图2 小；3）下部楼层的级差系数一般要比上部楼层的大； 给出了各框架的梁、柱截面配筋.
4）级差系数有随着地震烈度的增加而增大的趋势，而 212所设计框架结构的实际柱梁强度级差 中间节点的变化比边节点更明显.
按照框架实际配筋计算出梁、柱端各控制截面的 进一步考察各节点级差系数的具体数值，可以发 实际抗弯能力后，根据各杆端实际抗弯能力求得的框 现：5个框架的绝大多数边节点的级差系数都大于 架各节点顺时针和逆时针方向的柱、梁强度比（或柱、 113；三级抗震等级（0110g和0115g区）框架中间节点 梁强度级差系数，简称级差系数）示于图3中.
顶层节 的级差系数明显偏小，大部分小于110，这自然与其偏 点按现行规范不需采取强柱弱梁措施，故没有示出.
小的柱抗弯能力增强系数111有关；而二级抗震等级 需要说明的是，计算抗弯能力时材料强度取用强度标 （0120g和0130g区）框架中间节点的级差系数大部分 准值（只要柱、梁的材料强度均采用约定的统一水准， 在110-113之间，应该说其平均意义上的级差系数与 则计算出来的柱、梁强度级差系数原则上是一致的）； 规范规定的增强系数112大体相当；面一级抗震等级 在计算节点处顺时针或逆时针方向的柱端抗弯能力 （0140g区）框架的级差系数明显大于其它4个框架的， 时，取相应方向地震组合下的轴力值（标准值）作为柱 最小的级差系数为1136，且各节点的级差系数明显趋 端截面上的作用轴力，按偏心受压构件计算；另外，在 于均匀.
需要注意的是，这里的柱、梁强度均是按规范 计算梁的抗弯能力时，按我国设计习惯暂时未考虑与 公式计算的承载能力极限状态下的抗弯承载能力，与 梁轴线平行的板筋对梁端抗负弯矩能力的贡献.
柱、梁端截面恰好进入届服状态时的抗弯能力有一定 E5-I99" T8-3965 86 丰 NET 3L 23)309 31. 495 14 3*66. *r NO9T _ (I 2 38L6. (46) se) TE) 2830 3*5 19 265-811 85 182-208 stes 4463 HE-SPC seel eef. 16085 stes 7*85 0.20g策 0.30g 邯 0.40g 相架 图25个框架算例的梁、柱截面配筋 7
的差别.
布以及整个时程中各层的最大层间位移角分布.
可以 在以上严格按规范设计的不同烈度区框架所形成 看出，7度0115g区和8度0120g区框架的总体位移反 的柱、梁强度级差的格局下，结构在强震下的实际抗震 应较大，其层间位移角在层4产生突变的趋势较其他 性能是学术界和工程界普通关注的问题.
近年来，随 框架更为明显，这主要是因为该两个框架相应楼层柱 者计算机技术的进步和结构模型化方法的发展，弹塑 端塑性较相对集中出现（见图6）-另外，各框架的最 性动力时程分析已成为研究各类结构在强震下的非弹 大层间位移角均未超出规范所规定的罕遇地震作用下 性动力反应规律的有效方法，是除地震灾害调查、结构 的框架结构弹塑性层间位移角限值0102.
各框架在其 动力试验之外的又一个检验结构抗震性能、改善抗震 它地面运动输入下的层间位移角分布也有类似的规 设计方法和措施的重要手段7.
因此，利用自编的并 律. 经严格校核的钢筋混凝土结构非弹性动力分析程序 5个框架在El Centro波输入下在结构反应的两个 FW2EPA”，对前述5个框架进行多波输入下的非弹性 偏不利时刻的各层侧向位移沿高度的分布示于图5 动力反应分析，以考察现行规范强震弱梁措施的实际 中.可以发现，除7度0110g区框架的项点侧移相对 抗震控制效果.
偏小之外，其余框架的项点侧移相差不大；8度0120g 3非弹性动力分析结果及讨论 区和7度0115g区框架结构的项点侧移反而大于9度 对上述每个框架结构均分别输入符合或接近0类 区框架的，面8度0130g区框架的顶点侧移则与9度 场地、第一设计分组条件的6条地面运动加速度时程， 区框架的相当.这表明，尽管8度区0130g和0120g 其中包括与抗震规范设计反应谱相适应的3条实际地 区以及7度0115g区框架的设防地震水准较9度区框 面运动记录和1条用自回归滑动平均模型（ARMA模 架逐次降低，但它们在罕遇水准地震下的总体位移延 型生成的人造地震波，另外还包括常用的E1Centro记 性需求与9度区框架是类似的，甚至可能大于9度区 录和Taf记录.
6条地面运动记录均按规范给定 框架.
的各烈度区的设防地震水准和罕遇水准的地面运动峰 312塑性较分布规律 值加速度进行直接标定.
只给出各框架在罕遇水准地 图6给出了5个框架在罕遇地震水准的ElCenro 面运动输入下的分析结果.
波输入下某层层间位移达到最大时刻的瞬间塑性较分 311位移反应 布情况及塑性较的转动大小.
图中圆圈表示该杆端在 图4以ElCentro波为例给出了5个框架在结构反 该时刻已经进入届服后状态，而圆圈的大小则表示弹 应的两个偏不利时刻（某层层间位移角达到最大的时 塑性转动的大小.
从图6及各框架在其它地面运动输 刻和顶点位移达到最大的时刻）的各层层间位移角分 入下的塑性较分布可以发现，7度0110g区框架形成的 0:000 0:905 0.000 0:015 0.000 0.005 0.010 0:915 0.029 层业移角（a） 0.000 0:005 0.010 0.015 0.000 0.000 0.005 0.010 0.015 0:000 0:005 0.010 0.015 ()0.10g 区 层间位移角(rd) (b)0.15g 区相架 (c)0.20g 2.8 6600.30g区图第 昆间应移角(mf) (e)0:40g[区.邯 星润位要角最大 项点位移最大 整个时程最大 图4罕遇地震水准 E Ce血ro被下的层间位移角 0.00 0.100.20 00′6 0.100.20 0.30 0006.100.200.30 00000 0010 位移(m) 易(m) 28(m) 位号(n) 600.3g区根奖 位募(m) (0)-0.10g区度 0)9.15g区积架 (c).20g 区都3 (0）0:40g区枢 显移最大 --厦点位移大 图5罕遇地震水准日 Cemo波下的层侧向位移 8
塑性较全为柱较，但数量较少.
7度0115g区框架出较抗震等级结构有明显差别，而且0115g和0120g区框 数量增多，但柱较占主导地位，梁较仅在个别梁端形架出现了同层柱端或大部分柱端均出较的不利反 成，个别楼层甚至出现了同层柱端或大部分柱端应状况，这预示着二、三抗震等级框架的抗震安全水准 均出现塑性较的不利反应状况，预示着该框架存在较 与一级抗震等级框架相比可能偏低.
大的失效风险.
这两个框架的出较情况与其实际偏小 （4）尽管7，8度框架的设防地震水准明显低于9 的柱梁强度级差系数是对应的（见图3）.8度0120g 度区框架，但在各自相应罕遇水准地震作用下，其层间 区框架出现的塑性较更多，梁较数量有所增加，但仍以 位移角及项点侧移值均十分接近（7度区0110g框架除 桂较数量占多数，且柱较集中出现于局部楼层，同样出 外），表明在结构的承载能力设计基本由地震作用参与 现了同层柱端或大部分柱端均出现塑性较的不利 组合控制的情况下，它们在强震下的总体位移延性需 反应状况.
面8度0130g区框架的出铰数量进一步增 求是类似的因此，针对不同烈度区框架结构为保证 多，梁较在中间楼层普遍出现，同时出现不少柱较；但 其结构延性而采取的各项抗震措施，特别是强柱弱梁 梁、柱较的数量基本持平，即柱较所占比重较前述3个 措施不宜差别过大.
框架有所下降（在ElCentro波下该框架的塑性较数量 （5）根据初步分析结果"，认为可能有必要适度 比其它5条地面运动输入的都少，为了便于对比，这里 提高二、三级抗震等级的框架结构的柱抗弯能力增强 仍将其示出）.
9度区框架则形成了与其它框架有明 措施.
初步建议对8度区二级抗震等级框架也采用以 显区别的以梁较为主的塑性耗能机构，仅有极个别柱 梁端实际抗弯能力为基础的柱抗弯能力增强措施，但 端出现了塑性较，表明9度区框架按规范采取强柱弱 严格程度可略低于9度区框架，可取EM= 梁措施以后，可以有效地避免柱端塑性较的出现.
除 110EMhk；对7度区三级抗震等级框架则建议采用 8度区0130g框架以外，其它框架在各自的另外5条地 EM.
=113EM的增强方案-当然，最终的改进方案 面运动记录输入下的塑性较分布规律类似见文[5].
尚有待通过更多有效的研究和分析来确定.
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但由于结构地震响应的复杂性及其它不利因素的 ACI Stuctum1 Joumal 2001 98( 6): 8432851. 影响，框架的柱、梁强度级差系数大于110并不能保证 （上接第9%页） 在强震下其柱端不出现塑性较.
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