从汶川地震中框架结构震害谈“强柱弱梁”屈服机制的实现
框架结构强柱弱梁实现中的问题与对策分析
框架结构强柱弱梁实现中的问题与对策分析“强柱弱梁”不仅能够避免结构形成同层所有柱端均出现塑性层侧移，还能够使框架结构在强震下形成具有较好抗震性，是实现梁铰机制的重要结构措施，是钢筋混凝土框架结构中的一项关键控制措施。
本文对强柱弱梁实现过程中常见的问题进行了阐述，并结合具体问题提出了相应的解决方法。
标签框架结构；强柱弱梁：抗震钢筋混凝土框架结构，是当前建筑中最主要的结构形式，被广泛应用于工业与民用建筑中。
但是它自身的侧向刚度较小，而地震作用引起的侧向位移较大，为了保证框架结构在遭遇地震作用时不发生倒塌，我们对钢筋混凝土框架结构必须采取一定的抗震措施，以保证人民的人身和财产的安全。
“强柱弱梁”就是一种很好的抗震措施，一方面，它的底层柱上下端出现塑性铰，能够迅速导致结构倒塌，另一方面，它只有在全部梁端出现塑性铰并迫使结构底部也出现屈服变形时，结构才会破坏[1]。
1 影响实现强柱弱梁的因素1.1 填充墙对结构刚度的影响在强柱弱梁的所有影响因素中，填充墙是最大的、最复杂的一个因素，填充墙和框架梁是相互依存的关系，对结构会产生如下一些影响，因此我们必须要明确填充墙的结构功能及其相应的设计目标。
实际丁程中，围护墙和填充墙通常直接在框架梁上砌筑，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，它不仅能直接参与整体结构的抗震受力，显著增大框架梁的刚度和抗弯承载力，而且还能增加结构层刚度，造成结构层刚度不均匀，减小框架梁弯曲变形，形成层屈服机制，引起扭转效应。
填充墙的结构功能目标分为：1)参与结构受力，这时它就是抗震的第一道防线，在整体结构的抗震分析和设计中就要给予足够的考虑；2)不参与结构受力，这时它就得跟周边的框架有足够的隔开、分开，这种设计能够对结构扭转效应有很好的控制。
1.2 现浇楼板对框架梁的承载力及刚度的影晌楼板对“强柱弱梁”的影响在国外是考虑一定的超强系数，研究表明，楼板内的钢筋能够使框架梁的实际抗弯承载力增大20～30％，《建筑抗震没计规范》规定：除框架顶层和柱轴压比小于0．15。
浅谈如何在结构设计中实现“强柱弱梁”
分析强柱弱梁的影响因素及设计对策1 引言：汶川、雅安地震后，一座座废墟触目惊心，人员伤亡惨重。
通过震后调查发现，倒塌的房屋结构普遍存在一个较为突出的问题，就是大多数房屋都未能实现“强柱弱梁”，即柱破坏了，梁却完好无损。
这告诉我们，“强柱弱梁”是框架结构抗震设计中不可忽视的内容，也是实现梁铰机制的重要结构措施。
实际工程中，影响强柱弱梁的因素很多，作为结构工程师应该立足于本职工作，以结构的安全为使命，在设计中如何更好的实现“强柱弱梁”，是一个值得思考的问题。
2 强柱弱梁的概念强柱弱梁是一个从结构抗震设计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”。
《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第6.2.2条规定：一、二、三、四级框架的梁柱节点处，除框架顶层和柱轴压比小于0.15者及框支梁与框支柱的节点外，柱端组合的弯矩设计值应符合公式∑M c＝ηc∑M b (6.2.2-1)一级的框架结构和9度的一级框架可不符合上式要求，但应符合下式要求：∑M c＝1.2∑M bua (6.2.2-2)当反弯点不在柱的层高范围内时，柱端截面组合的弯矩设计值可乘以上述柱端弯矩增大系数。
《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）第6.2.5，第7.2.22条以及《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）第11.3.2条均有相似的规定。
这是“强柱弱梁”在规范中的体现。
3 实际设计中影响强柱弱梁的因素尽管结构工程师在框架结构计算时遵循《建筑抗震设计规范》中的6.2.2条之规定，也知道抗震设计中应体现“强柱弱梁”的意义，但在实际的弹性计算模型中仍不能真正实现“强柱弱梁”。
这是因为在结构计算和实际的施工中，梁的配筋有多次放大的机会，而柱却没有放大机会。
这就需要我们深入分析在工程实际中影响“强柱弱梁”的因素到底有哪些，然后采用相应的措施来真正实现“强柱弱梁”。
汶川地震谈钢筋混凝土框架“强梁弱柱”设计方法
汶川地震谈钢筋混凝土框架“强梁弱柱”设计方法摘要：本文介绍了汶川地震中出现的几种典型震害。
详细介绍了我国抗震规范对强柱弱梁设计的要求。
最后针对“强梁弱柱” 破坏机制具体讨论了楼板，填充墙和柱的轴压比对其的影响，可供相关设计人员提供参考。
关键词：地震；强梁弱柱；框剪结构；有限元；1.汶川震害概况2008年，四川省汶川县发生了8.0级特大地震，震中最大破坏烈度达11度，共造成779万间房屋倒塌，2450万间房屋损坏。
钢筋混凝土框架结构是汶川地震灾区尤其是城镇区的一类重要房屋结构类型，在此次地震中遭受到普遍破坏，其受损面积约占受损建筑总面积的10%。
在汶川地震中，钢筋混凝土框架结构主要震害主要震害现象有：(1) 围护结构和填充墙严重开裂和破坏(图1(a));(2) 填充墙不合理设置或错层形成短柱剪切破坏(图1(b));(3) 柱端出现塑性铰, 未实现强柱弱梁屈服机制(图1(c));(4) 柱剪切破坏, 梁柱节点区破坏(图1(d));(5) 填充墙不合理设置造成结构实际层刚度不均匀, 导致底部楼层侧移过大,并导致倒塌或导致结构实际刚度偏心使结构产生扭转地震响应(图1(e))。
图 1 框架结构震害情况2.抗震规范对强柱弱梁屈服机制的规定在2010建筑抗震设计规范6.2中对强柱弱梁的设计做了以下规定：一、二、三、四级框架的梁柱的节点处，除框架顶层和柱轴压比小于0.15者及框支柱的节点外，柱端组合的弯矩设计值应符合下式的要求：（1 a）一级的框架结构和9度的一级框架可不符合上式要求，但应符合下式的要求： (1 b)各参数详见2010抗规6.2条文。
式(1-a,b)主要考虑了钢筋和混凝土等材料强度的变异性、地震的复杂性以及钢筋屈服强度超强等因素给出的实现强柱弱梁机制所需的梁柱端弯矩增大系数,式(1a)的ηc 是基于不超过10%梁端钢筋超配条件给出的。
其中材料强度的变异性和钢筋屈服强度的超强等因素具有相对可靠的统计指标, 可以进行比较准确的估计,但地震的复杂性包括了地震地面运动的随机性和结构地震反应的动力效应等多方面因素,影响十分复杂, 难以准确考虑。
双向地震作用下我国_强柱弱梁_措施的有效性评估_杨红
第44卷第1期2011年1月土 木 工 程 学 报C H I N A C I V I LE N G I N E E R I N G J O U R N A LV o l .44J a n . N o .12011基金项目:重庆市科委自然基金资助项目(C S T C ,2009B B 4217)作者简介:杨红,博士,教授收稿日期:2009-04-20双向地震作用下我国“强柱弱梁”措施的有效性评估杨 红1,2 朱振华1 白绍良1,2(1.重庆大学,重庆400045;2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学),重庆400045)摘要:以往研究柱端弯矩增大系数时一般基于平面分析模型,双向水平地震作用对框架“强柱弱梁”屈服机制的影响未引起重视。
严格按中国规范设计出5个不同地震烈度分区的规则空间框架,在O p e n S e e s 平台上,采用基于柔度法的纤维模型从而更加真实地模拟柱在双向弯曲和变化轴力作用下的非线性反应,对五个框架进行了罕遇地震下的非线性反应分析。
结果表明,7度0.1g 区三级抗震空间框架形成了柱铰为主的混合耗能机制,7度0.15g 区三级抗震空间框架少量楼层发生了层侧移反应,8度0.2g 区、0.3g 区二级抗震空间框架均是部分楼层出现明显层侧移反应的典型柱铰机制,9度0.4g 区一级抗震空间框架则形成了梁铰、柱铰均较严重的梁柱铰混合机制。
五个空间框架在双向地震下的塑性铰分布特征均比相应平面框架更不利。
我国不同烈度区、不同抗震等级的空间框架结构在罕遇地震下形成了不同的的塑性铰耗能机制。
关键词:钢筋混凝土;三维框架;双向水平地震;强柱弱梁;非线性分析中图分类号:T U 311.3 文献标识码:A 文章编号:1000-131X (2011)01-0058-07A n e v a l u a t i o no f t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e C h i n e s e s t r o n g c o l u m nw e a k b e a mm e a s u r e u n d e r b i -d i r e c t i o n a l h o r i z o n t a l s e i s m i c e x c i t a t i o n sY a n g H o n g 1,2 Z h u Z h e n h u a 1 B a i S h a o l i a n g1,2(1.C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ,C h o n g q i n g 400045,C h i n a ;2.K e y L a b o r a t o r y o f N e wT e c h n o l o g y f o r C o n s t r u c t i o n o f C i t i e s i n M o u n t a i n A r e a (C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ),M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ,C h o n g q i n g 400045,C h i n a )A b s t r a c t :P l a n e a n a l y s i s m o d e l i s c o m m o n l y a p p l i e d i n t h e s t u d y o f t h e m o m e n t a m p l i f i c a t i o n f a c t o r o f c o l u m n s ,a n d t h e e f f e c t o f b i -d i r e c t i o n a lh o r i z o n t a ls e i s m i ca c t i o n so n s t r o n gc o l u m n -w e a k b e a m y i e l d i n gm e c h a n i s m h a sn o t b e e n c o n s i d e r e d s e r i o u s l y .F i v e r e g u l a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e 3-Ds p a t i a l f r a m e s w e r e d e s i g n e d s t r i c t l y a c c o r d i n g t o t h e C h i n e s e c o d e f o r d i f f e r e n t s e i s m i c f o r t i f i c a t i o n i n t e n s i t i e s .B a s e d o n t h e O p e n S e e s f r a m e w o r k ,f l e x i b i l i t y m e t h o d b a s e d f i b e r m o d e l w a s a d o p t e d t o s i m u l a t e t h e n o n l i n e a r r e s p o n s e s o f t h e c o l u m n s u n d e r b i a x i a l b e n d i n g a n d v a r y i n g a x i a l f o r c e s .N o n l i n e a r d y n a m i c r e s p o n s e a n a l y s e s o f t h e f i v e f r a m e s u n d e r r a r e e a r t h q u a k e e x c i t a t i o n s w e r e c a r r i e d o u t .T h e r e s u l t s s h o w e d t h a tt h e s p a t i a l f r a m eo f t h e 3r ds e i s m i cg r a d ea t 7-e a r t h q u a k ei n t e n s i t y 0.1g -r e g i o nf o r m e dac o l u m nh i n g ed o m i n a t e d m e c h a n i s m ,t h e s p a t i a l f r a m e o f t h e 3r ds e i s m i c g r a d e a t 7-e a r t h q u a k e i n t e n s i t y 0.15g -r e g i o nt e n d e dt o d e v e l o ps t o r y s i d e -s w a y m e c h a n i s ma t a f e w f l o o r s ,a n d t h e s p a t i a l f r a m e o f t h e 2n ds e i s m i c g r a d e a t 8-e a r t h q u a k e i n t e n s i t y 0.2g -r e g i o n a n d 0.3g -r e g i o n a l l f o r m e d t y p i c a l c o l u m n h i n g e m e c h a n i s m w i t h s t o r y s i d e -s w a y m e c h a n i s m o c c u r r e da t s o m e f l o o r s ,w h i l et h es p a t i a l f r a m e o f t h e 1s ts e i s m i c g r a d e a t 9-e a r t h q u a k e i n t e n s i t y 0.4g -r e g i o nd e v e l o p e d a c o l u m n -b e a m m i x e d h i n g e m e c h a n i s m w i t h s e v e r e c o l u m n h i n g e s a n d b e a m h i n g e s .T h e p l a s t i c h i n g e d i s t r i b u t i o n s o f t h e f i v e s p a t i a l f r a m e s u n d e r b i -d i r e c t i o n a l h o r i z o n t a l s e i s m i c a c t i o n s w e r e w o r s e t h a n t h a t o f t h e c o r r e s p o n d i n g p l a n e f r a m e s .T h e p l a s t i c h i n g e e n e r g y -d i s s i p a t i n g m e c h a n i s mo f t h e s p a t i a l f r a m e s i n d i f f e r e n t e a r t h q u a k e i n t e n s i t y r e g i o n s a n d d i f f e r e n t s e i s m i c g r a d e s w e r e d i f f e r e n t u n d e r r a r e e a r t h q u a k e e x c i t a t i o n s .K e y w o r d s :r e i n f o r c e d c o n c r e t e ;3-Df r a m e ;b i -d i r e c t i o n a l h o r i z o n t a l s e i s m i c ;s t r o n g c o l u m n -w e a k b e a m ;n o n l i n e a r a n a l y s i s E -m a i l :y a n g h @c q u .e d u .c n 第44卷 第1期杨 红等·双向地震作用下我国“强柱弱梁”措施的有效性评估·59 ·引 言2008年5月12日四川汶川县发生了里氏8.0级地震,这次地震中,钢筋混凝土框架普遍出现的是柱铰机制[1～2],未能实现我国G B 50011—2001《建筑抗震设计规范》(以下简称抗震规范)所期望的“强柱弱梁”屈服机制。
从汶川地震看框架结构设计中抗震设防要点
从汶川地震看框架结构设计中抗震设防要点通过2015年度工程类继续教育培训，老师生动的讲述了汶川地震震后一些特殊典型破坏的案例，使我对建筑结构抗震设计有了更直观和深刻的认识和了解！下面简单谈谈我对本次继续教育的认识和收获！2008年5月12日，我国四川省汶川县发生8．0级特大地震，震中烈度11度，当地建筑遭受严重破坏并造成巨大的人员伤亡和财产损失。
震后，大量的科研工作者及一线设计人员多次深入地震灾区，开展震害调查及震后修复工作。
并结合地震灾害情况，对我国现行的建筑抗震设计规范进行了完善，为日后的工程设计提供更可靠的安全保障。
从本次震害的整体情况来看，经过抗震设防，特别是在1990年后设计建造的建筑整体表现良好，即使在极震区实际烈度高出抗震设防烈度3度～4度（地震动强度超出预计的10倍）的情况下，仍有较多建筑虽受到中等至严重破坏，但未倒塌，达到了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标。
1框架结构典型震害实例1）柱的破坏。
柱是框架结构的竖向主受力构件，柱的破坏将直接导致整个结构的破坏。
设计中对柱进行必要加强，使梁柱结构形成强柱弱梁，是结构设计中必须重视的一个基本概念。
从震害情况来看，抗震设计要求钢筋混凝土结构的“梁铰机制”没有出现，而是出现了大量的“柱铰”。
显然因楼梯平台使该框架柱形成短柱，且箍筋不足，在复杂的地震力作用下，最终使柱受剪破坏。
2）梁的破坏。
梁是结构水平承力构件，板上的荷载通过梁传递给柱，一旦梁破坏，楼板将遭到破坏而退出工作。
调查发现，地震对楼梯间的破坏相对较重。
楼梯间作为地震疏散的通道，一旦发生破坏，人员疏散几乎不能实现。
楼梯间在地震时，受力比较复杂，作为设计人员，必须清楚楼梯间在地震中的重要性，适当加强楼梯间的构造措施。
新版规范也对楼梯间构造要求进一步加强。
3）节点破坏。
经过对震害的分析发现，在框架结构的破坏形式中，节点的破坏是非常严重的。
4）良好设计的房屋。
震害调查结果显示，即使在强震区，只要严格按照抗震设计标准进行设计，保证抗震构造措施，确保施工质量的框架结构房屋完全能够满足地震区的抗震设防要求。
框架结构强柱弱梁难以实现的部分原因分析
框 架 结构 强柱 弱 梁难 以 实现 的部分 原 因分 析
王世 普
摘
庞 新 宾
要 ： 过 分 析 汶 川 地 震 中各 结 构 构 件 的破 坏 形 态 ， 填 充 墙 对 结 构 刚 度 的 影 响 和 楼 板 对 梁 承 载 力 的 影 响 两 方 面 入 通 从
手， 总结 了“ 强柱 弱梁” 以实现 的部分原 因， 难 并采取合理的分析模型 ， 以实现“ 强柱弱梁” 屈服 机制。
３ 现 有轻 钢结构 体 系存在 问题 【２ １ ． Ｊ
由于 国外 的轻 钢结构 体系是 在 国外 的具体 环境 下诞生 的适
环保耐 用 ； 整个建 筑 自重极 轻 ， 对基础 构造要求 简单 ； 结构强度要求 的基 础上 ， 能够 很好地 集成 各项 保温节 能技 术 ， 达 材料新 颖 、 抗震 性较好 ， 品工产 化高 ， 产 安装 速度快 等。而 国内现有 的两种 到保温节能 的效果 。
Ｂ ｕ． 抗 但 对于轻钢结构 一个最关键 的问题是防火技术 的应 用 ， 由于轻 体系 （ ． Ｂ体系 和 Ｈ型 钢体 系） 震性 能都 比较好 ， 是经济 不太 符合 国内市场需求主要处于 中低档次 的行 情。Ｂ ． 钢结构 的主要构件都是轻钢 材料 ， 耐火性 能 比普通 的钢混结构构 性都一般 ， Ｂ体系经济性稍好 ， 施工 性能也 很好 ， 能满足 的建筑 功能太 但 件要差 ， 因此 ， 就要求 在 围护结构 上运用 一些 防火 性能 比较好 的 Ｕ． 低 ， 的铰接以及支撑的布置严重降低 了其能满足 的建筑功能 ； 梁 Ｈ 材料 ， 以确保 整个建筑的防火性能达到规范 的要求 。 现场焊接工作 量大 ， 装配性 能低下 ， 能进 不 轻钢结构 由于受力构件本 身 比较轻 薄 ， 隔声 效果较差 ， 另外 ， 型钢体系施工不方便 ， 不符合轻 钢结构产业 化发展 的趋势。 目前 国内宝 由于 围护结构本身 的厚度 也并 不是 很高 ， 以 ， 所 为了满 足建筑 足 行产业化生产 ， ５０ ｚ 镀铝锌 １０ｍｇ ｍ ， ８ ／ ２最低屈 服强 够 隔声 的要求 ， 在轻 钢建筑 中， 内外墙及楼盖 格栅问填充玻璃棉 ， 钢生产的 ￥５ ＋ａ 热镀 铝锌卷板 ， ５ ａ板厚 ０ ７ ｎ 可与澳大利亚 的 Ｇ５０高强度镀铝锌 ．５ｍＹ ， ５ 有效阻止 了通过空气传播 的音频 部分 ； 而对于通 过固体传播 的冲 度 ５ ０ＭＰ ， 可以用作 轻钢结 构 的主要 材料 ， 值得 在冷 弯薄壁 型 击声 ， 作如下构 造处 理 ： 于分户 墙用 两道墙 柱构 成带 有 中间空 钢板相媲美 ， 对 隙 的两 道 墙 体 ； 吊 顶 用 的 固 定 石 膏 板 的 小 龙 骨 ， 带 有 小 切 槽 钢体 系的用材 上大力推广。 对 用 参 考文献 ： 的弹性构造 以有效减 少楼层问的固体声传播 。
从汶川地震框架结构震害谈_强柱弱梁_屈服机制的实现
都只能保证在梁柱节点 的局部, 梁端先
于柱端出 现 塑性 铰, 并 且 如! 抗 规∀ 6 2 2 条文 说 明所 说, 只在一定程度上减缓柱端的屈服 , 而并不能保证 在结构整体中 不出现 柱端 塑性铰, 从而 不能保 证预期 梁铰机制的出现。这是因为局部的梁柱 端抗弯承载力 级差并不能从整体结构层面上反映结构形成某种屈服
c
充墙的结构功能及其相应的设计目标。 填充墙的结构功能目标可分为: 1) 参 与结构受力; 2) 不参与结构 受力。对 参与结 构受 力的填 充墙, 填充 墙可作为整体结 构第 一道抗 震防 线, 与周 边框 架可靠 连接, 形成组合墙, 并应沿结构竖向连续 布置。对不参 与结构受力的填 充墙, 填充墙 应与 框架柱 之间 预留足 够的间隙, 隔离两者的相互作用, 保证主体 框架结构的 受力行为符合设计计算的条件。 将填充墙作为整个结构系统的第一道 抗震防线是 一种很好的 整体结 构抗 震设计 思想。不 过, 按这 种思 路设计时, 填充 墙在中 震下发 生一 定程度 的开 裂应属 于正常, 但应控制在可修范围, 并且应保证 大震下填充 墙不倒塌。这可通过设置构造柱、 水平系 梁、 拉结钢筋 等构造措施实现, 有效 增强填 充墙 与主体 框架 结构的 协同工作能力, 提高填充墙的变形能力, 包 括抗裂能力 和抗倒塌能力。这种组合墙应作为整体结 构抗震的组 成部分, 在整体结构的抗震分析和设计中 就要考虑, 且 相应的构造 措施也 要予 以保证, 并在施 工中 落实。这 方面的研究目前还不多, 但在实际震害中 已体现出来。 图 2( a) 为汶川 地震中 绵阳市的 一个框 架结构, 其填充 墙经过设计认真 考虑, 与周边 框架 采用水 平系 梁和构 造柱连接, 结构抗侧刚度很大, 地震中填充 墙几乎没有 开裂, 主体框架结 构也几乎 未损坏。而 图 2( b) 为绵阳 市的另一个框架结构, 填充墙开裂显著, 尽 管主体框架 结构损坏并不严重, 但需要对填充墙进行大修。
对“强柱弱梁”破坏机制难以实现的思考
重庆大学土木工程学院结构工程与防灾研究中心 Structural Engineering and Disaster Prevention Research Center of CQU对“强柱弱梁”破坏机制难以实现的思考引言钢筋混凝土框架结构是我国地震区广泛使用的一种结构形式。
我国规范主要 通过一系列的抗震措施来保证按多遇地震设计的结构在更大地震作用下的抗震 性能,其中“强柱弱梁”是一项关键控制措施,其目的是使框架结构在强震下形成 具有较好抗震性能的稳定的屈服后塑性耗能机构,并避免结构形成同层所有柱端 均出现塑性铰的层侧移机构。
《建筑抗震设计规范》 （GB50011-2010）给出了柱 端抗弯能力增强系数的取值。
然而，为什么在历次地震中“强柱弱梁”的破坏模式未能很好实现？ 不管是早期发生的中国海城地震、唐山地震或者汶川地震，还是近期发生的 日本大地震，在结构工程师苦心打造的框架节点中，实现“强柱弱梁” 破坏模 式的愿望都未能令人满意。
不管梁柱节点区域及柱端加密区配置箍筋与否，配置多少箍，柱端还是出现 灯笼状破坏， 配置φ12@80 的箍筋， 配箍不可谓不强吧， 还照样出现灯笼状破坏。
现行新版《建筑抗震设计规范》 （GB50011-2010）规定的相关计算方法及 抗震构造措施，依然不可能完全保证“强柱弱梁” 破坏模式的满意实现。
原因分析在历次发生的大中型地震中，通过地震震害调查可以明显发现，绝大数框架 结构中出现的并不是工程师们预期的那种“强柱弱梁”的破坏模式。
如图 1~图 10 所示。
一代代结构工程师们一直坚持的用这种“强柱弱梁”的破坏模式理念 来进行设计控制，而实际震害却一次次违背这种设计理念。
如何解释这个矛盾， 既然理论与实际不符合， 结构工程师们为什么不产生质疑反而一直沿用这个设计 理念及方法。
关于框架结构 “强柱弱梁” 难以实现的原因分析及实际控制效果也就近几年， 尤其是汶川地震后，才引起土木结构工程领域相关专家学者的热切关注，但所发 表的论文大多都是站在一种接受的角度去分析原因，找寻解决方法，但这个理论 自 89 规范以来已有二十多年的实际震害考验，结果理论与实际的矛盾一直未得 到解决。
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从汶川地震中框架结构震害谈“强柱弱梁”屈服机制的实现叶列平，曲哲，马千里，林旭川，陆新征，潘鹏清华大学土木工程系，结构工程与振动教育部重点实验室建筑结构/Building Structure, 2008, 38(11): 52-59.摘要：本文首先介绍了汶川地震中钢筋混凝土框架结构的主要震害现象，并进行了简要分析。
重点针对地震中框架结构未出现抗震设计所预期的“强等非结构构件和楼板的影响、可能导致框架梁承载力和刚度增大的原因、造成框架梁端超配筋的原因、影响框架柱承载力发挥的原因、以及结构在大段的梁柱构件的可靠度差异等方面进行深入的分析，并提出了有关建议，为今后框架结构设计实现“强柱弱梁”屈服机制和规范修订提供参考。
下载全文/Download PDF versionStudy on ensuring the strong column-weak beam mechanism for RC frames based on the damage analysis in the WencYe Lieping, Qu Zhe, Ma Qianli, Lin Xuchuan, Lu Xinzheng, Pan PengDepartment of Civil Engineering, Tsinghua UniversityKey Laboratory of Structural Engineering and Vibration of China Education Ministry, Tsinghua UniverAbstract: Typical earthquake damages of RC frames in the Wenchuan earthquake are reviewed with some brief analyses. Special atten the preferable damage mode of RC frames known as the “strong column-weak beam” mechanism. Analysis is conducted in depth in order t for this adverse phenomenon in the following aspects: influence of the partitions and floor slabs, possible reasons for under-esti of frame beams, reasons for the over-reinforcement of frame beams, factors that may weaken frame columns, structural model changing under stronger earthquake, the difference of reli different load stages and so on. Suggestions of ensuring the “strong column-weak beam” mechanism for RC frame s are proposed for the r and code revision.1 汶川地震中的框架结构震害汶川地震是我国建国以来最为强烈的一次地震。
这次地震中，钢筋混凝土框架结构的主要震害现象有：(1) 围护结构和填充墙严重开裂和破坏（图1a）；(2) 填充墙不合理设置或错层)成短柱剪切破坏（图1b，图1c）；(3) 柱剪切破坏（图1d、e），梁柱节点区破坏（图1f）；(4) 填充墙不合理设置造成结构实际层刚度不均匀，导致底部楼层侧移过大（图1g），并导致倒塌（图1h）；或导致结构实际刚度偏心使结构产生(5) 柱端出现塑性铰，未实现“强柱弱梁”屈服机制（图1j）。
围护结构和填充墙等非结构构件的严重开裂和破坏，也会造成一定的人员伤亡，并导致人们的恐惧心理，且震后修复工作量很大，费用很高。
目前，有具体的控制指标。
根据这次地震中框架结构的围护结构和填充墙的破坏情况，对“可修”定义应考虑非结构构件的损坏程度。
窗间填充墙的不合理布置（或错层）造成框架柱形成短柱，产生剪切破坏的问题，本文以下将专门讨论。
柱剪切破坏，梁柱节点区破坏，大多属于配箍不足，箍筋拉结或弯钩等构造措施不到位等原因造成，规范规定的最小配箍率可能也需要考虑提高。
即使柱端首先发生弯曲破坏而形成塑性铰，巨大的轴压容易使混凝土压溃而发生剥离脱落（本次地震竖向振动很大），从而严重削弱柱端的抗剪能力地震剪力，因而很容易引起剪切破坏，见图1e。
因此，需要考虑压弯破坏对柱端抗剪承载力降低的影响，提出切实可行实用的配筋构造技术，如连重退化，充分保证“强剪弱弯”。
(a)填充墙破坏(b)填充墙造成框架柱形成短柱剪切破坏 (c)错层造成短柱剪切破坏(d) 框架柱剪切破坏 (e) 柱端出现塑性铰后产生剪切破坏(f)梁柱节点区破坏 (g)底层侧移过大 (h)底层坍塌(i)填充墙平面内不均匀布置造成平面刚度偏心，产生扭转地震响应的破坏(j)柱端产生塑性铰形成层屈服机制图1 框架结构的震害情况底部楼层侧移过大，主要原因是由于底层作为商用或公共停车场等大空间使用，上部楼层为住宅或宾馆（图1g, h），填充墙使上部楼层的层刚度增质量很差则导致底层倒塌（图1h）。
这类问题需在结构整体抗震方案中，将填充墙等非结构构件在结构抗震分析中给予充分考虑，本文以下将专门这次汶川地震中砌体结构的震害基本是唐山地震的再现。
震害调查表明，按89抗震规范要求进行抗震设计，并采取圈梁和构造柱抗震措施的砌体结坏式的倒塌。
因此，对于砌体结构的抗震，主要是如何落实抗震规范执行的问题，特别是落实圈梁和构造柱抗震措施，相应需要进一步研究的工作可架结构震害给抗震结构研究人员印象最深的主要是，(1)填充墙等非结构构件严重开裂和破坏；(2)几乎没有看到设计规范所要求的“强柱弱梁”破坏机制。
其中，填充墙等非结构构件也会对“强柱弱梁”破坏机制产生影响，以下将专门讨论。
《建筑抗震设计规范（GB50010-2001）》[1]（以下简称《抗震规范》）6.2.2条文说明指出，地震作用下框架结构的变形能力与其破坏机制密切相关梁”屈服机制，可使整个框架结构有较大的内力重分布能力，有尽可能多的结构构件参与整体结构抗震，地震能量可分布于所有楼层耗散，耗能能力服机制。
文献[2]认为“强柱弱梁”屈服机制属于整体型结构屈服机制，具有较大的抗震鲁棒性，而“弱柱强梁”屈服机制属于局部型结构屈服机制能量集中在局部楼层耗散，形成楼层屈服机制，造成局部楼层倒塌（图1g）。
本文重点分析未能实现“强柱弱梁”屈服机制的原因，并提出有关改2 《抗震规范》关于“强柱弱梁”屈服机制的规定及考虑的因素《抗震规范》主要考虑梁端抗弯纵筋可能的超配筋、钢筋强化和地震作用不确定性等影响，通过保证梁柱节点处柱梁抗弯承载力比，对“强柱弱梁对二级和三级框架结构应符合，∑M c=ηc ∑M b对一级框架结构及9度时尚应符合，∑M c=ηc ∑M bua其中，∑M c为节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析分配；∑M b为节点左右梁端截面反之和，一级框架节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取零；∑M bua为节点左右梁端截面反时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力面积（计入受压筋）和材料强度标准值确定；ηc为柱端弯矩增大系数，一级取1.4，二级取1.2，三级取1.1。
上述(1)式主要考虑了钢筋和混凝土等材料强度的变异性、地震的复杂性以及钢筋屈服强度超强等因素给出的实现“强柱弱梁”机制所需的梁柱端抗基于不超过10%梁端钢筋超配条件给出的。
其中材料强度的变异性和钢筋屈服强度的超强等因素具有相对可靠的统计指标，可以比较准确的估计，但入的随机性和结构地震反应的动力效应等多方面因素，影响十分复杂，难以准确考虑。
此外，(1a)式考虑的10%梁端钢筋超配也没有正确反映目前我文中还将详细讨论。
需要指出的是，考虑了上述所有不确定因素的柱端增大系数ηc都只能保证在梁柱节点的局部，梁端先于柱端出现塑性铰，并且如《抗震规范》6.2.缓柱端的屈服”，而并不能保证在结构整体中不出现柱端塑性铰，从而不能保证预期的梁铰机制的出现。
这是因为局部的梁柱端抗弯承载力级差并不种屈服机制后的受力状态，这一问题将在下文中详细讨论。
3 未实现强柱弱梁屈服机制的原因由于在实际工程设计中，许多因素未在(1)式中得到充分反映或设计人员没有充分考虑，本次地震中框架结构大多未能实现“强柱弱梁”屈服机制的主要有以下几方面原因：(1)填充墙等非结构构件的影响；(2)楼板对框架梁的承载力和刚度增大影响；(3)框架梁跨度和荷载过大，使梁截面尺寸增大，梁端抗弯承载力增大；(4)梁端超配筋和钢筋实际强度超强；(5)柱轴压比限值规定偏高，柱截面尺寸偏小；(6)柱最小配筋率和最小配箍率偏小；(7)大震下结构受力状态与结构弹性受力状态存在差异；(8)梁柱可靠度的差异。
由于目前对框架结构“强柱弱梁”屈服机制的研究大多针对纯框架结构进行，因此确定(1)式中的柱端弯矩增大系数 c时，主要考虑了以上(4)和(7而对其它影响因素虽然有所考虑，但因规范未给出具体规定和方法，使得这些因素在设计中未被充分考虑。
以下针对上述几方面原因，对本次地震屈服机制的问题进行深入分析。
4 各影响因素的分析4.1 填充墙等非结构构件影响实际工程中，围护墙和填充墙（以下简称“填充墙”）通常直接在框架梁上砌筑，对结构会产生以下影响：(1) 与框架梁共同受力，显著减小框架梁弯曲变形，增大框架梁的刚度和抗弯承载力。
(2) 直接参与整体结构的抗震受力，增加结构层刚度，造成结构层刚度不均匀，使未设置填充墙的楼层实际形成薄弱层（通常是底层），导致形成层柱弱梁”屈服机制；或造成平面刚度分布不规则，引起扭转效应（图1i）。
(3) 结构总体刚度增大，基本周期减小约40~60%，地震力增大。
(4) 影响裸框架结构的内力分布，如，约束框架柱部分柱段的侧移变形，形成短柱，使得局部抗侧刚度过大，地震剪力增大，进而导致短柱剪切破模式。
以上前两个影响改变了框架结构的整体受力机制，使整体结构难以形成“强柱弱梁”屈服机制。
第三个影响则使框架结构的实际地震作用显著大于第四影响属于局部地震效应增大，进而影响整体结构破坏模式。
另一方面，由于填充墙抗侧刚度大、所分配的地震力较大，而其强度较低，因此容易导致填充墙产生严重开裂和破坏。
由以上分析可知，填充墙对整体结构抗震性能的影响十分复杂性，应根据其在整体结构中作用和影响情况，在结构设计中应给予充分考虑。