强柱弱梁机制在框架结构中的应用及改进

通过查阅国内外文献,分析了我国框架结构中强柱弱梁机制应用和存在问题,总结出其主要问题是梁端超筋、柱梁抗弯承载力比值取值不合理、混凝土楼板抗弯刚度大、材料离散性高等。通过对高等级地震数据收集,整理了10条高等级地震弹塑性时程曲线,根据规范中“强柱弱梁”理念结构受力特性,简化了结构受力模型,研究了柱梁抗弯承载力比值,指出了柱梁抗弯承载力比值与地震强度等级对应关系,提出了柱梁抗弯承载力比值在不同地震等级下的取值建议。

国内外规范“强柱弱梁”屈服机制分析与对比

对广东省地方标准DBJ/T15—92—2021《高层建筑混凝土结构技术规程》、我国GB50011—2010《建筑抗震设计规范》以及美、欧、日规范关于混凝土框架结构“强柱弱梁”的设计规定进行介绍,从柱端弯矩增大系数、楼板作用等各规范关于“强柱弱梁”规定的差异进行比较,指出广东《高规》在内力调整措施上与其他规范不同,在抗震性能设计中通过构件重要性系数和承载力利用系数实现结构“强柱弱梁”屈服机制,更容易调整超强地震下引人的柱梁安全系数比指标,并给出框架梁端翼缘宽度范围内楼板钢筋的具体规定,减少梁配筋量。基于各规范设计规定,结合Pushover分析及动力弹塑性分析以6层RC框架结构作为对象进行计算分析,对梁柱钢筋用量、柱梁安全系数比、梁柱损伤及耗能情况等进行综合比较,分析RC框架结构各规范关于“强柱弱梁”规定的效果,该算例广东《高规》的柱配筋量、柱梁安全系数比较大,在实现“强柱弱梁”屈服机制方面效果较好。

装配式预应力高强箍筋混凝土框架结构强柱弱梁设计

为设计满足“强柱弱梁”标准的装配式预应力高强箍筋混凝土框架结构,以5层装配式预应力高强箍筋混凝土框架结构为例,设计此结构梁跨度,依次是3 m、5 m、7 m,轴压比依次是0.7、0.8、0.9,极限弯矩比依次是0.9、1.1、1.3.在OpenSees平台上通过Push-over分析方法,绘制多种条件下结构的荷载-顶点位移变化、塑性铰变化,以此分析所设计装配式预应力高强箍筋混凝土框架结构,是否符合强柱弱梁的设计标准.分析结果显示:梁跨度是3 m、轴压比与极限弯矩比是0.7、0.9时,装配式预应力高强箍筋混凝土框架结构的荷载-顶点位移变化最为稳定,此时塑性铰主要分布于梁端而非柱端,满足强柱弱梁设计标准.

基于“梁-柱线刚度比”和“强柱弱梁”概念的混凝土框架抗震设计研究

在水泥、骨料工程中,框架作为应用最广的结构形式,其整体作用和耗能能力决定着结构的抗震性能。“梁-柱线刚度比”是影响框架整体作用的重要因素,“强柱弱梁”是实现结构合理出铰、保障耗能能力的有力措施。“梁-柱线刚度比”控制梁柱的内力分配,其值作为衡量框架整体作用能力的指标;“强柱弱梁”通过增大柱端弯矩,相对弱化梁的承载力,以实现梁铰机制。两者概念不同,却相互影响,满足“强柱弱梁”的框架结构“梁-柱线刚度比”宜为0.5~0.9。“梁-柱线刚度比”多用于初选截面的指导,根据实际配筋的静力弹塑性或动力弹塑性分析获得的出铰顺序更能有效地指导合理设计。影响“强柱弱梁”的因素较多,因此合理的概念、恰当的计算、必要的构造措施相结合才是实现框架整体作用和“大震不倒”设防目标的有力保障。

现浇楼板对RC框架结构“强柱弱梁”破坏机制的影响及措施

以地震中倒塌的汶川漩口中学教学楼为原型,设计了两个具有不同形式现浇楼板的钢筋混凝土框架结构对比模型,分别为普通现浇楼板模型和四角设缝楼板模型,运用DIANA进行了非线性有限元数值模拟。动力时程对比分析表明:忽视现浇楼板的贡献使RC框架结构很难实现“强柱弱梁”破坏机制,现浇楼板四角设缝的措施,可以有效减少框架结构柱端的塑性铰数量,使结构呈现出“强柱弱梁”破坏机制,提高了RC框架结构的延性和抗震性能。

轴压比对RC框架实现“强柱弱梁”的影响研究

针对现浇楼板中板筋对纵向梁抗弯能力的提高作用,采用ABAQUS进行不同轴压比下的RC空间框架结构非线性分析,通过不同节点处的梁、柱钢筋应力对比,讨论了不同轴压比对应的结构和同一结构中不同节点位置在实现"强柱弱梁"上的难易程度以及梁端塑性铰的出现条件。研究结果表明,轴压比对板筋在纵向梁抗弯能力中参与程度的影响较大,低轴压比的结构比高轴压比的结构更容易出现梁端塑性铰;同一结构中内节点对应的纵向梁端比外节点更难出现塑性铰;为实现"大震不倒",建议在满足现行结构设计规范提出的相关要求外,对同一节点处的梁、柱端实际承载能力进行复核,使得考虑了现浇楼板参与作用后的梁端实际承载力依然小于柱端实际承载力。

双向地震作用下我国“强柱弱梁”措施的有效性评估

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OpenSees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。

楼板开角缝实现RC框架“强柱弱梁”效果的有限元分析

利用有限元软件ADINA对一栋6层现浇钢筋混凝土框架结构的梁柱节点做了拟静力分析与地震动力反应分析,并对普通梁柱节点与周围楼板设角缝节点的结果对比。分析计算结果表明,对于普通梁柱节点,在梁柱节点处采用开角缝的措施之后,梁受力主筋屈服明显提前,柱混凝土裂缝明显减少,梁、柱塑性铰出现时间间隔增加。首层柱柱脚处塑性铰的出现延后,更加接近总体机制破坏。

我国混凝土框架结构强柱弱梁措施的实际控制效果

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铰机构;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铰为主或柱铰偏多的梁、柱铰混合机构。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。

现浇框架结构柱端CFRP加固强柱弱梁效果分析

为研究柱端碳纤维增强复合材料(CFRP)加固对框架结构强柱弱梁效果的影响,利用有限元软件ANSYS对一栋三层现浇钢筋混凝土框架结构做了拟静力数值分析,考虑了现浇楼板对梁抗弯承载力的影响,对框架结构普通梁板柱节点和柱端用碳纤维加固节点的计算结果进行了对比。分析结果表明,梁肋附近楼板钢筋应力随梁端弯矩加大而明显增加,现浇楼板内钢筋对梁抗弯承载力提高的影响不容忽视。在节点处采用外包碳纤维布加固,可以提高框架柱的抗弯能力及延性,使塑性铰首先出现在梁端,使钢筋混凝土框架结构在地震作用下,破坏时更接近"强柱弱梁"的特点。

钢筋混凝土框架结构强柱弱梁设计的概率分析

考虑结构材料强度、几何尺寸以及计算模式的随机性,同时考虑梁纵筋的超强影响,采用可靠度理论分析了钢筋混凝土结构单个节点强柱弱梁设计的可靠度,得出了不同设防等级下强柱弱梁设计的可靠指标以及对应的失效概率.在此基础上,以6层框架为例,分析了不同柱端弯矩增大系数下结构的整体失效概率,采用投资-效益准则,提出了一种合理的确定柱端弯矩增大系数的方法.

中欧抗震设计规范关于“强柱弱梁”设计比较

通过"5·12"汶川大地震的震后房屋震害调查发现,多层钢筋混凝土框架结构的框架柱比梁更易遭到破坏,出现了非设计预期的柱铰破坏机制.从抗震设防目标、地震作用水准、结构分析模型、构件抗震计算与构造措施等多角度出发,对比分析了我国抗震设计规范GB 50011—2001和欧洲抗震规范EN 1998-1在实现"强柱弱梁"上的差异.研究表明,保证抗震等级为一至三级的梁、柱局部延性的构造措施不足,以及对于楼板对梁刚度和承载力的贡献考虑不充分是造成地震中钢筋混凝土框架结构柱铰破坏的主要原因.

预应力混凝土框架结构“强柱弱梁”设计方法研究

针对预应力混凝土框架梁设计方法的特殊性,本文以8度区(0.2g)抗震等级为二级的多层多跨预应力混凝土框架结构为例,研究规范对预应力混凝土框架结构柱端弯矩增大系数取值的合理性,提出以梁端实际抗震受弯承载力调整柱端弯矩的方法进行预应力混凝土框架结构设计.分别以梁端地震组合弯矩和梁端实际抗震受弯承载力调整柱端弯矩设计8榀预应力混凝土框架,在OpenSees中建立其基于纤维梁柱单元的数值分析模型,并对其进行静力弹塑性分析与动力时程分析.研究表明:按现行规范设计的预应力混凝土框架结构,在罕遇地震下底层柱端出铰严重,提高其柱端弯矩增大系数,可以有效地改善结构屈服机制;04规程中柱端弯矩增大系数的取值偏小,规程修订时应给予适当提高,对抗震等级为二级的预应力混凝土框架结构,其柱端弯矩增大系数的取值≥2.0;本文建议二级PC框架按梁端实际抗震受弯承载力调整柱端弯矩,其取值为1.4.

基于改进蒙特卡洛法的框架强柱弱梁可靠度分析

针对蒙特卡洛方法存在的计算量大,计算时间长的缺点,借助曲线拟合的思想,提出了改进的蒙特卡洛可靠度分析方法。基于该方法并考虑计算模式、材料强度、几何尺寸的随机性,对抗震设计规范所提出的抗震概念设计进行了讨论,分析了钢筋混凝土结构的节点强柱弱梁可靠性。得出了不同抗震等级下节点强柱弱梁设计的可靠度,最后确定了2010版建筑抗震设计规范中框架柱端弯矩增大系数的调整对强柱弱梁的失效概率的影响规律,新规范调整后的柱端弯矩增大系数使强柱弱梁设计可靠性大大增加,达到了规范调整的目的。

双向水平地震下7度区框架结构的“强柱弱梁”措施

结合汶川地震中钢筋混凝土框架结构的塑性铰普遍出现在柱端的震害现象,重点研究了"强柱弱梁"措施和"超烈度"对结构抗震性态的影响。按中国规范分别设计7度0.1 g区和0.15 g区三级抗震规则空间框架,并采用逐渐增大的"强柱弱梁"措施,对两类7度区框架各形成5个算例结构。在Open Sees平台上,计算框架在双向水平地震作用下的非线性反应。结果表明,抗震规范GB50011-2001给出的三级抗震的"强柱弱梁"措施取值明显偏低,在罕遇地震作用下7度0.1 g区框架塑性铰数量少、基本为柱铰,7度0.15 g区框架塑性铰数量较多、梁铰少。抗震规范GB50011-2010提高柱端弯矩增大系数取值后,结构的塑性铰分布规律基本没有改善。按抗震规范GB50011-2001设计的7度区空间框架在"超烈度"地震波作用下的损伤特征是塑性铰普遍出现在柱端,与汶川地震的震害现象一致,7度区框架的梁端地震组合弯矩小、现浇板钢筋影响幅度大、"强柱弱梁"措施过低、结构遭遇"超烈度"共同导致了该危险的塑性铰分布特征。

PC框架结构基于易损性的“强柱弱梁”设计方法研究

研究和震害均表明,按规范设计的钢筋混凝土框架结构很难实现"强柱弱梁"的破坏机制。当前指导我国预应力混凝土(PC)框架结构抗震设计的04规程是以01抗震规范为基础编制的,滞后于10抗震规范,因而,有必要进行PC框架结构"强柱弱梁"设计方法的研究。首先,考虑进行PC框架设计时其梁中受力钢筋预先确定的特点,提出均采用抗震等级为一级的RC框架结构"强柱弱梁"设计的方法,即:依据梁端实际抗震受弯承载力来调整其柱端弯矩的方法;其次,针对与新方法匹配的柱端弯矩增大系数的合理取值问题,依据04规程设计了抗震等级为一、二、三级的4个多层PC框架,并在OpenSees平台上对其建立非线性分析模型,建模时以框架能形成"强柱弱梁"的屈服机制为目标,在罕遇地震作用下,采用除框架底层柱下端外其他柱截面的纵筋均不屈服的梁铰机制,对每个框架分别输入35条地震波进行罕遇地震作用下的响应分析,并对柱端弯矩增大系数的需求值进行统计,结果表明:PC框架结构边节点和中节点处的柱端弯矩增大系数,在抗震等级为三级时可分别取1.05、1.0,二级时分别取1.25、1.15,一级时分别取1.3、1.2;最后,按新方法对抗震等级为二、三级的两个PC框架进行重新设计,并对其进行基于IDA的易损性分析,验证了本文所提出的设计方法的实用性。

钢筋混凝土框架“强柱弱梁”及轴压比限值的概率分析

从可靠度校准的角度分析了现行建筑抗震设计规范“强柱弱梁”和轴压比限值的概率意义。结合框架和节点试验结果 ,表明现行规范规定的柱梁弯矩比并不能有效地防止柱铰机构的形成 ;不同抗震等级框架的轴压比限值的失效概率相差较大。本文认为 ,在保证相同的延性失效概率的前提下 ,可以通过提高柱梁抗弯强度比来放宽规范轴压比的限制。最后 。

宽扁梁与普通梁框架结构实现“强柱弱梁”的对比研究

为研究相同线刚度情况下不同截面形式的框架梁对框架结构在实现"强柱弱梁"上的差别,在ABAQUS中建立2种不同截面形式的框架结构,即普通梁结构和宽扁梁结构,通过对其在基底剪力、梁柱钢筋应力、裂缝开展情况和楼板钢筋应力分布方面的对比,考察了2种不同框架梁截面形式下在实现"强柱弱梁"上的异同,考察了两种截面形式对带现浇楼板的框架结构板内钢筋参与框架梁端抵抗负弯矩能力的影响。结果表明,宽扁梁结构较普通梁结构更易实现"强柱弱梁",单侧与楼板相连的框架梁较两侧与楼板相连的框架梁更易实现"强柱弱梁"。与本文模型类似的结构,可将普通梁结构的有效翼缘宽度取为900mm、宽扁梁结构的有效翼缘宽度取为1 100mm。

基于可靠度的结构优化模型和“强柱弱梁”设计

由于没有考虑结构的不同功能失效时损失值是不同的这一重要事实，基于结构体系可靠度的优化设计模型不能给出符合工程实际要求的设计．针对这一问题，建议了利用结构的不同功能失效时损失值不同来估计结构失效损失期望的结构优化模型．实例表明，用此模型可以得到与工程概念设计要求相一致的“强柱弱梁”设计．

新规范框架结构强柱弱梁措施效果评估

为了了解我国新颁布的规范对框架结构强柱弱梁措施提高柱端弯矩增大系数的效果,分别按照新旧规范设计设防烈度7度(0.1 g)3级框架结构和设防烈度8度(0.2 g)2级框架结构,采用时程动力分析程序,输入不同频谱的地震波,计算不同设防烈度框架结构在罕遇地震作用下的结构反应,对比分析框架结构的位移、层间位移角和塑性铰。结果表明,设防烈度为7度(0.1 g)3级框架结构,不同频谱地震波作用下新旧规范楼层顶点最大位移差值不超过1 mm,层间位移角最大差值不超过0.12%,新规范提高柱端弯矩增大系数效果不大。旧规范规定的柱端弯矩增大系数足以保证框架结构大震不倒。设防烈度为8度(0.2 g)2级框架结构,不同频谱地震波作用下新旧规范楼层顶点最大位移差值较明显,层间位移角最大差值不超过0.21%,新规范柱端弯矩增大系数效果明显,但其安全性与设防烈度为7度(0.1 g)3级框架结构相比,仍有较大差距。建议进一步提高其柱端弯矩增大系数,以充分保证其大震不倒的安全性。