实配钢筋“强柱弱梁”型框架结构形成因素分析

钢筋混凝土框架结构的抗倒塌能力与其破坏机制密切相关,最理想的机制是梁铰机制,即"强柱弱梁"型框架结构。研究表明,柱端弯矩增大系数(COF)对"强柱弱梁"型框架结构的形成有很大的影响,当COF大于2时,结构基本上只发生梁铰失效模式的破坏。采用现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)提供的梁、柱受弯承载力计算公式,根据6组不同设防烈度下钢筋混凝土框架结构实配钢筋施工图,求出梁、柱节点的COF值。对不符合"强柱弱梁"要求的框架结构梁、柱实配配筋进行调整,COF最小值取1.1~1.2左右。可知在罕遇地震作用下,一级抗震等级框架结构基本上只发生梁铰失效模式的破坏。建议规范将二、三级抗震等级框架结构的COF按照梁端实配钢筋计算,确保框架结构最终施工图能够真正实现"强柱弱梁"的概念设计。     

传统框架及楼板局部设缝框架“强柱弱梁”实现综述

框架结构实现"强柱弱梁"是抗震的目标之一,本文针对框架结构抗震性能的研究现状进行了详细阐述,表明现浇楼板及板内纵筋对框架梁端实际抗弯承载力的贡献不可忽略,导致框架结构形成"强梁弱柱"的柱铰屈服机制。进而介绍了楼板局部设缝框架结构,即在框架梁端塑性铰范围的侧向楼板内设置贯穿板厚的通缝,以消除现浇楼板及纵筋对梁端抗弯承载力的贡献,实现"强柱弱梁"的屈服机制。     

某三层矩形钢管混凝土框架塑性铰长度试验研究

为了研究多层矩形钢管混凝土框架的塑性铰长度和塑性铰开展顺序,通过一榀单跨三层矩形钢管混凝土框架结构的低周反复荷载试验以及非线性有限元分析,得到了该类框架结构的破坏模式、塑性铰的分布位置、塑性铰的长度以及其开展顺序。结果表明:该框架表现出"强柱弱梁"的破坏机制,塑性铰开展的顺序依次是框架2层梁端、1层梁端、顶层梁端、框架柱脚;梁、柱端塑性铰中心出现在距离环板和加劲肋40mm的位置,塑性铰长度约为100mm;当轴压比小于0.4且剪跨比小于2时,通过理论计算得到框架柱的塑性铰长度为98.7mm,框架梁的塑性铰长度为104.4mm;采用ABAQUS有限元软件对试验全过程分析得到的滞回曲线饱满,并与试验滞回曲线相吻合,说明此类框架结构抗震性能良好;有限元模拟得到框架梁、柱塑性铰长度为100mm;试验分析、理论计算和有限元模拟得到框架结构的塑性铰长度基本一致,说明选用的塑性铰长度计算方法适用于多层矩形钢管混凝土框架,可为实际工程设计提供相关依据。     

传统框架及楼板局部设缝框架动力弹塑性时程分析

本文提出楼板局部设缝框架结构,即在框架梁端塑性铰范围的侧向楼板内设置贯穿板厚的通缝,以消除现浇楼板及纵筋对梁端抗弯承载力的贡献,实现"强柱弱梁"的屈服机制。分析了小震和大震作用下,传统框架与楼板局部设缝框架的地震反应,研究大震作用下结构的塑性铰分布,表明楼板局部设缝框架结构能改善其屈服机制,实现"强柱弱梁"的抗震要求,提高结构抗震性能。     

水平地震下钢-混凝土组合框架结构极限抗震与强柱构造

"强柱弱梁"是当前国际上主流的工程结构抗震设计理念,已有地震灾害调查表明,由于地震作用机制的复杂性以及对工程结构极限抗震认识的不足,强震作用后框架结构除出现梁铰的"强柱弱梁"破坏之外,还出现整体倒塌、柱铰以及局部楼层倒塌的"强梁弱柱"破坏。为合理认识各类破坏形式,首先对传统的塑性铰概念细分为"压铰"和"拉铰",指出"拉铰"容易引发结构整体失稳;随后以钢-混凝土组合框架结构为对象,建立并采用实体单元与壳单元为主的组合框架结构有限元精细化抗震计算模型,开展组合结构极限抗震分析,初步探讨各水平地震波工况对组合框架结构位移、应力、轴压比等时程响应以及框架梁柱塑性耗能分配机制、塑性铰形成模式与失效机制的影响规律。分析结果显示:1)柱端拉筋减小了钢管与混凝土之间滑移,从而增大了柱和框架的刚度,降低了钢管和混凝土的应变水平,增大了钢梁的应力水平; 620 cm/s2及以上强度的地震波作用时,柱端拉筋构造可显著减小组合框架结构的最大层间位移角,在接近极限强度的水平地震波作用时,柱端拉筋屈服,框架梁端混凝土板纵筋一般不易屈服; 2)"强梁弱柱"组合框架表现为"约束梁"与"耗能柱",此时框架梁对框架柱约束较强,框架以框架柱耗能为主而梁端仅形成"压铰",此时框架的耗能能力取决于框架柱;"强柱弱梁"组合框架表现为"耗能梁"与"承载柱",此时框架梁对框架柱约束较弱,框架以框架梁耗能为主使得梁端先形成"压铰",当梁端耗能至极限时形成"拉铰"引发框架柱长细比增大,导致框架加速失效,不利于发挥框架柱耗能潜力; 3)柱端拉筋技术的"强柱"构造将提高组合结构的刚度、塑性耗能与抗倒塌能力,强柱构造对以柱耗能为主的6层框架抗震能力提升尤其显著。     

汶川地震引发的对框架结构抗震设计的思考

介绍2008年汶川大地震中框架结构的几种典型破坏特征,分析了包括短柱破坏效应、剪切效应、剪压破坏、压屈破坏、弯剪破坏、梁柱塑性铰、钢筋锚固不足破坏、混凝土酥碎破坏等震害特征,由此引发对框架结构抗震设计的思考。     

楼板局部设缝框架结构静力弹塑性分析

框架结构实现"梁铰屈服"机制是保证大震不倒的措施之一。本文在以往研究的基础上,提出楼板局部设缝框架结构,即在框架梁端塑性铰范围的侧向楼板内设置贯穿板厚的通缝,以消除现浇楼板及其纵筋对梁端抗弯承载力的贡献,实现梁铰屈服机制。文章针对7度和8度设防烈度的设缝框架和传统框架分别进行静力弹塑性分析,研究结构P-Δ变形曲线、塑性铰分布以及结构的屈服机制,并分别对楼板局部设缝框架和传统框架进行抗震能力评估。结果表明,楼板局部设缝能改善框架结构的屈服机制,满足"强柱弱梁"抗震要求,提高结构抗震性能。     

中美核安全相关混凝土结构规范抗震措施对比分析

对中国规范与美国规范中核安全相关混凝土结构抗震措施进行了对比分析。结果表明,中美规范核安全相关钢筋混凝土抗震设计对混凝土和钢筋材料的要求基本相同,框架梁纵筋最小配筋率、最大配筋率及最小配箍率、框架梁加密区的长度也基本相同,框架梁实现"强剪弱弯"的能力接近;框架柱纵向钢筋最小配筋率与美国规范的相当,最大配筋率比美国规范略小,框架柱普通箍筋最小体积配箍率与美国规范相比有大有小,框架柱抗震实现"强剪弱弯"的能力是相近的;中国规范实现"强柱弱梁"的能力比美国规范的高。中美规范框架节点区箍筋间距和箍筋最小直径均与框架柱的一致,中国规范框架节点的抗剪安全度比美国规范的略高。中国规范抗震墙的最小配筋率与美国规范是相同的。钢筋抗震锚固长度相差不大。     

钢筋混凝土框架柱端弯矩增大系数初探

四川汶川地震中,房屋典型的震害表现为,一些钢筋混凝土框架结构柱端出现了严重的塑性铰,而梁端震害反而较轻,"强柱弱梁"的抗震设计目标在混凝土框架中未能实现。本文首先总结了我国现行规范中关于"强柱弱梁"的相关规定及存在的问题,然后分析不同柱端弯矩增大系数对框架结构塑性铰分布的影响,结果表明,当柱端弯矩增大系数取为1.7时能有效地实现"强柱弱梁"。     

T形钢管混凝土柱-混凝土梁外加强环板式节点抗震性能正交试验研究

对18个T形钢管混凝土柱-混凝土梁外加强环板式节点采用有限元与正交试验法相结合的方式进行抗震性能研究。结果表明,节点的裂缝发展经历初裂、通裂、极限、破坏四个过程;牛腿在梁端荷载的传递过程中起到桥梁作用;最终以牛腿与梁交界处形成塑性铰而破坏,符合"强节点弱构件"的抗震设计思想。对节点极限承载力、位移延性系数以及能量耗散系数三个性能指标影响最为显著的因素均为框架梁配筋率。框架梁混凝土强度等级的提高可以提高节点极限承载力,但是增幅过大不利于节点抗震性能,所以工程设计时应合理地选择框架梁混凝土强度等级。     

考虑柱偏心距随机特性的RC框架“强柱弱梁”设计可靠度

针对地震作用下钢筋混凝土（RC）框架结构大多出现“强梁弱柱”破坏机制的问题,考虑混凝土极限压应变、抗压强度和钢筋屈服强度等参数的变异性以及柱截面受拉的可能性,基于静力平衡方程求解得到了梁柱抗力的精细分析模型。结合已有的水平地震作用、竖向重力荷载、混凝土和钢筋本构参数等的概率模型,并考虑柱截面偏心距的随机特性,采用Monte Carlo方法分析了不同设计参数下RC框架“强柱弱梁”设计可靠度。结果表明：按GB 50011—2010中柱端弯矩增大系数进行设计时,考虑超配钢筋后,其“强柱弱梁”可靠度均有较大程度下降;当按梁端实配钢筋设计时,考虑随机偏心距、轴压比等参数的影响,其“强柱弱梁”可靠度在2.44~4.14范围内波动;与考虑随机偏心距情形相比,按固定偏心距计算会高估“强柱弱梁”可靠度;对于四级抗震框架结构,当梁端顶部和底部钢筋分别超配30%与20%时,其“强柱弱梁”可靠度约为考虑随机偏心距情形的5倍。     

双向地震作用下传统框架与楼板局部设缝框架动力弹塑性分析

本文对双向地震作用下传统框架和楼板局部设缝框架进行了动力弹塑性分析。结果表明,楼板局部设缝框架在极限状态下框架梁端受拉钢筋应力高于框架柱相应值,并且塑性铰主要分布在框架梁端,呈梁铰屈服机制,而传统框架塑性铰主要分布在柱端,呈柱铰屈服机制。因此楼板局部设缝框架能满足"强柱弱梁"的抗震要求,从而改善了结构的抗震性能。     

钢筋混凝土梁抗震可靠度校核以及强剪弱弯设计可靠性分析

对按现行结构抗震设计规范设计的钢筋混凝土梁进行受弯、受剪可靠度分析,研究了不同荷载比值（地震作用与自重荷载比值）、不同材料强度等级和不同配筋率对梁可靠度的影响。在此基础上,分析了梁“强剪弱弯”设计的可靠性。分析结果表明,按现行规范设计的钢筋混凝土梁“强剪弱弯”设计的可靠性较低,需提高剪切增强系数,来满足设计需要。在分析梁的可靠度时,采用了MonteCarlo随机模拟法。     

梁钢筋部分移置梁侧楼板的现浇混凝土框架抗震性能研究

汶川地震中损坏的楼板与梁整体现浇的钢筋混凝土框架结构几乎全部是"强梁弱柱"型破坏,这是由于多年来建筑设计中,框架梁的钢筋配置过多和抗震设计规范中规定的框架柱相对于框架梁的受弯强度放大系数偏小。2010年颁布实施的《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)适当提高了该放大系数,但仍不能根本解决地震时柱先于梁破坏的问题。分析混凝土结构设计的全过程,发现"强梁弱柱"型破坏的主要原因,即该种结构的梁上部配置钢筋过多。对罕遇地震作用下减少梁上部钢筋的两个实际工程进行弹塑性时程计算,结果表明:减少梁上部钢筋可改善楼板与梁整体现浇混凝土框架结构的抗震性能,同时降低了造价,且方便施工。     

人工气候环境下锈蚀RC弯剪破坏框架梁抗震性能试验研究

采用人工气候加速腐蚀方法,对8个剪跨比为2.67的RC框架梁进行拟静力试验,研究不同锈胀裂缝宽度下,箍筋与纵筋锈蚀的弯剪破坏RC框架梁的抗震性能衰减规律。首先,保持框架梁设计参数不变,仅变化钢筋锈蚀程度,其次,保持锈蚀程度不变,仅改塑性铰区箍筋间距,以延性系数、承载力、塑性转角、变形恢复能力、刚度退化和累积滞回耗能等指标为参数,给出了不同锈蚀程度、不同配箍率下RC框架梁的抗震性能退化规律:锈蚀程度相同时,随配箍率的减小,锈蚀框架梁对筋锈蚀程度更加敏感;由于箍筋纵筋均锈蚀,构件抗弯、抗剪承载力均下降,表现为构件极限荷载的降低和屈服平台的变短;以延性系数、软化刚度退化和累积耗能等参数对锈蚀率最为敏感;随锈蚀率增大,破坏模型主要由弯曲破坏为主的弯剪破坏模式转变为延性差、剪切变形明显的脆性破坏模式。     

新型预制装配式消能减震混凝土框架节点抗震性能试验研究

为了提高预制装配式混凝土框架结构的抗震性能,提出一种由扇形铅黏弹性阻尼器与预制装配式混凝土框架组合而成的新型预制装配式消能减震混凝土框架结构体系。对体系节点进行了设计,并对普通预制装配式梁柱节点试件和新型预制装配式梁柱消能减震节点试件进行了低周反复加载试验,研究了试件的滞回特性、承载能力、位移延性、强度退化和梁端受力筋应变等抗震性能及其破坏特征。结果表明:新型预制装配式梁柱消能减震节点通过扇形铅黏弹性阻尼器的往复剪切变形参与节点的滞回耗能,具有良好的耗能效果,该新型节点滞回曲线饱满,耗能能力强;节点的承载力和位移延性明显提高;扇形铅黏弹性阻尼器增强预制装配式梁柱节点的抗侧力和抗侧刚度,改变节点受力模式,使塑性铰区从梁端后浇区外移至预制梁与阻尼器连接外侧,实现了"强节点弱构件、强剪弱弯"性能要求。     

新旧建筑抗震设计规范关于“强柱弱梁”的对比和分析

从框架柱弯矩调整系数、抗震构造措施等方面对我国新旧建筑抗震设计规范(GB 50011-2010和GB 50011-2001)关于"强柱弱梁"上规定的差异进行了比较分析,详细地分析了影响"强柱弱梁"实现的主要因素。采用新旧两个抗震设计规范分别对抗震等级为一、二、三级的3个钢筋混凝土现浇楼板框架结构进行了计算分析,分别计算新旧两个规范下,考虑现浇楼板及其钢筋对框架梁抗弯承载力的贡献时节点处柱梁端实际抗弯承载力比,并对其进行了比较分析。     

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。     

装配整体式混凝土框架端节点试验研究

通过对装配整体式混凝土框架梁-柱端节点的低周反复荷载试验,研究其破坏形态和破坏机理,分析了构件受力的滞回曲线及钢筋、混凝土受力情况,并对节点安全性进行评判。试件满足＂强柱弱梁＂、＂强剪弱弯＂和＂强节点、强锚固＂的要求,具有良好的整体性及耗能能力,抗震性能良好。试验为装配整体式钢筋混凝土框架结构体系的推广应用提供试验论证,促进装配整体式混凝土结构的发展。     

钢筋混凝土框架结构梁端受弯承载力放大系数研究

现行规范通过设定柱端弯矩增大系数来实现钢筋混凝土框架结构"强柱弱梁"的破坏机制,实际工程中梁端的实际受弯承载力往往大于设计弯矩,其增大系数可能超过规范规定的柱端弯矩增大系数,导致地震发生时出现柱铰破坏机制。通过分析梁中受压钢筋和梁侧现浇板内配筋对受弯承载力的影响,计算出梁端受弯承载力放大系数,并与规范规定的柱端弯矩增大系数进行对比,针对柱端弯矩增大系数提出设计建议。