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。为什么一直按照这个模子走呢？究其原因，却一直没有合理正式的解释。“强柱弱梁”的破坏模式究竟能否很好实现值得我们思考。
“强柱弱梁”的破坏模式难以实现，经过查阅相关文献并结合自己理解分析其原因主要有以下几点（后面还会陆续增加一些新的理解和体会）：
图1 框架柱柱端出现灯笼状破坏
图2 框架柱柱端破坏、侧移较大
图4 阿尔及利亚地震中某建筑底层框架柱的压屈破坏 图3 汶川地震中某建筑框架柱柱端的压屈破坏
图5 绵竹市汉旺镇某建筑底层框架柱柱端混凝土压溃、主筋压屈
图6 柱剪切破坏
①梁柱受力特征不同
现浇钢筋混凝土梁和楼板形成一个二维构件受力单元,其平面内刚度和强度要比一维的柱子构件大得多,受力特征完全不同于柱。楼板对柱子形成双向约束,在两向水平地震作用及轴力作用下,柱截面处于复杂的三向受力状态，会降低柱的承载力。
②楼板影响
楼板与框架梁一起现浇，两者结合良好，共同工作能力强，可显著提高框架梁的抗弯刚度和抗弯承载力。
主要体现在两方面：
图7 框架柱柱端出现严重压屈
图8 框架柱侧移较大
图9 框架柱柱端压屈
图10 框架柱混凝土压溃、纵筋压屈
（1）梁端承受正弯矩时，楼板和框架梁共同组成T型截面，增加了框架梁的受压区宽度，进而增加梁端抗弯承载力和抗弯刚度；
（2）梁端承受负弯矩时，楼板内的配筋相当于增加了框架梁的负弯矩筋，会显著增强框架梁的抗负弯矩承载力。
我国工程设计的一些实际做法是，在考虑楼板对框架梁抗弯刚度提高方面，一般将中梁和边梁的刚度分别放大到原框架梁矩形截面刚度的2倍和1.5倍。
框架梁抗弯刚度增大后，由结构分析得到梁端弯矩相应增大，但所增加的配筋全部配置在梁截面内，楼板仍按自身受力另外配筋。
而在考虑“强柱弱梁”条件计算时，通常不考虑楼板内的钢筋。
即使不考虑其它因素使框架梁超配，仅楼板配筋因素造成的超配，对大多数二级和三级框架，都会超出规范规定的柱端弯矩增大系数。
如果考虑其它因素导致框架梁超配筋，则对一级框架也可能会不满足“强柱弱梁”要求。
目前，考虑楼板影响时“强柱弱梁”设计的两种思路：
一种是，计算梁端截面抗震受弯承载力时不考虑楼板翼缘作用，代之以提高柱梁强度比，间接考虑楼板的贡献。
另一种是，维持现行规定的柱梁强度比值，而在计算梁端截面抗震受弯承载力时，将楼板所提供的有效抗弯能力折算成一定有效翼缘宽度参与框架梁受弯。计入楼板的钢筋，且材料强度标准值考虑一定的超强系数。这需要现行的计算软件进行这方面计算分析配合。
后一种方法可靠，可以提高框架“强柱弱梁”的程度。有效翼缘宽度：一般取梁每侧6倍板厚。
梁柱刚度比过大，无法形成“强柱弱梁”的原因：
一是，当梁柱刚度比超过一定值，在水平侧向力作用下，框架柱相对弯矩增幅会大于框架梁相对弯矩增幅（相对弯矩=M/Mu ），框架柱会先于框架梁达到抗弯承载力而出铰；
二是，当层间剪切变形达到一定程度后，即使框架柱端纵筋不屈服，柱端混凝土压应变也会达到极限压应变而发生破坏，导致柱端抗弯承载力降低。
再加上P-△效应，使结构无法再形成“强柱弱梁”屈服机制。
③框架梁跨度和荷载过大使梁截面尺寸增大
实际工程中遇到的框架结构梁的跨度与荷载一般均较大，根据以往工程设计经验，在进行梁的内力计算前，会根据梁的高跨比经验值预先估计出梁的截面高度值及宽度值，这可能会使梁的截面尺寸估计过大，导致梁截面承载力有所提高。 ④填充墙的影响
由于实际工程中很多围护结构是砌体填充墙,而地震作用下砌体填充墙与梁一起运动,无疑对梁有一个较大的加强作用。而柱子一般情况下额外承受砌体墙与梁共同作用产生的剪力,这对“强柱弱梁”破坏机制的实现是个很大的挑战。
填充墙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),导致形成层屈服机制,无法实现“强柱弱梁”屈服机制；
(3) 影响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坏,影响整体结构的破坏模式；
(4) 对墙体较多的框架结构,填充墙在建筑中大多分布不均匀,易造成框架结构刚度中心与计算模型中的刚度中心产生较大偏离,造成平面刚度分布不规则,引起扭转效应，结构计算时仅仅进行周期折减是不能完全考虑其对框架的真实影响的。
⑤梁端超配筋和钢筋实际强度超强
在强震作用下，框架结构实现“强柱弱梁”指的是：节点处梁端实际受弯承
载力a by M ∑和柱端实际受弯承载力a
cy M ∑之间需满足以下不等式成立。
a a cy by M M ∑>∑ （1）
规范为简化计算，用设计弯矩M 代替实际受弯承载力Mua 。
《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）条文说明第6.2.2条指出，当梁端实配钢筋不超过计算配筋10%的前提下，将梁、柱之间的承载力不等式转为梁、柱的地震组合内力设计值的关系式，并使不同抗震等级的柱端弯矩设计值有不同程度的差异。采用增大柱端弯矩设计值的方法，只在一定程度上推迟柱端出现塑性铰。
因此，应用(1)式是有前提的，即梁端实配钢筋不能超配过多。
导致梁端钢筋超配因素：
(1) 楼板中配筋未考虑；
(2) 结构内力分析计算简图按构件轴线考虑，计算梁端配筋时取柱轴线处计算弯
矩，而在验算(1)式时，a by M 取用梁端截面设计弯矩，则会造成“超配”；
(3) 框架梁配筋由裂缝或变形条件控制，而在(1)式计算时，仍取用梁端截面设计弯矩，也会造成“超配”；
(4) 梁底配筋由梁跨中正弯矩控制时，跨中梁底钢筋过多伸入梁端柱内锚固，导致梁端正弯矩钢筋超配；
(5) 梁端实配钢筋通常大于计算钢筋，如超配10%，超过规范(1)式的条件，也导致“超配”。
(6) 裂缝计算加大了梁端的抗弯能力。不合理的裂缝计算加大了梁端配筋面积，导致梁端计算弯矩过大,梁端裂缝宽度计算值大于实际值，同时,加大梁端配筋，抗震调幅与梁端裂缝挠度计算的矛盾，对“强柱弱梁”机制实现增加了新的负担。
构件截面配筋设计时用的是钢筋的屈服强度设计值，而钢筋实际强度大于此设计值，间接导致“超配”。 另考虑到材料的离散性,在实际工程中存在梁筋实际强度恰遇偏高,而柱筋实际强度恰遇偏低的可能性。虽然难以把握其实际影响程度,但这也是引起梁端抗弯能力超强的一个可能原因。
⑥柱轴压比限值规定偏高
这次地震中，框架结构的柱子看上去大多太细，以致于框架柱极容易出铰，甚至发生“折断”。
导致这一结果的原因是，由于业主、建筑师以及实际所需建筑功能总是希望柱子越小越好，因此框架柱截面尺寸往往都是紧扣轴压比限值。
《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2002）柱轴压比限值定得过高，导致框架柱截面尺寸偏小，使得在以下几方面降低实现“强柱弱梁”破坏机制的可能性：
(1) 框架柱截面尺寸偏小，框架柱端抗弯力臂较小，不利于保证柱端受弯承载力。
(2) 正常使用状态下，框架柱处于高受压应力状态，地震力作用下混凝土可能先
达到极限压应变而被压坏。震害调查中，看到的所谓柱端塑性铰大多是混凝土压坏和钢筋压屈现象，至于钢筋是否受拉屈服，无法通过肉眼观测确认。
(3) 因轴压比限值高，底部框架柱轴压力已基本接近界限轴力，当遭遇罕遇地震，柱轴力会进一步增大，可能超过界限轴力而成为小偏压，这会导致柱抗弯承载力的降低，使柱端实际受弯承载力不满足(1)式的要求。
⑥梁柱可靠度的差异。
在正常使用情况下，结构主要承受竖向荷载，框架梁在弯矩作用下因各种因素影响而出现问题的现象较多。
而在正常使用情况下，框架柱主要以承受压力为主，通常压应力值不大、弯矩也不大，出现问题的现象较少。
因此，工程中一般对梁的关注多于柱。
但地震作用下，框架柱是主要抗侧力构件，在地震引起的弯矩与轴压力复合作用下，框架柱的问题才会暴露出来。?
?作者：旭灏
导师：李正良
校核：白绍良