1关于“强柱弱梁”设计准则的探讨

框架结构的非线性动力分析说明,塑性铰出现在梁端比塑性铰出现在柱端可以承受更大的地震作用,因此延性框架设计根据能力设计(CapacityDesign)原理采用“强柱弱梁”准则。包括欧洲规范EC81994,新西兰混凝土设计规范1995,我国抗震设计规范都遵守这一准则。美国规范虽未明确采用“能力设计”,但在UBC(ICBO1997)和ACI318—99也包括一些条款实现“强柱弱梁”准则,如在梁柱节点处,柱的受弯承载力之和应为梁受弯承载力之和的1.2倍。日本建筑学会AIJ1990规范对延性框架设计有一系列实现“强柱弱梁”的要求,允许柱铰在框架结构柱根部出现,框剪结构当剪力墙有足够受剪承载力,避免剪切破坏时,允许框架柱铰在中间楼层出现。

现行规范中对框架要求避免柱铰,主要考虑发生柱铰会导致:更高的曲率延性要求；过大的层间位移及更大的二阶效应；柱不能承受竖向重力荷载。很明显,前两个问题对框剪结构都不成问题,第三个问题的依据也是不足的。为了机制发展的需要允许塑性铰在延性框架的根部出现,是可以理解的。假如考虑柱铰有可能丧失竖向荷载承载力,为什么允许塑性铰在柱的最不利部位出现,反而不允许在上部楼层出现?柱的“能力设计”有若干不确定因素:钢材应变硬化增大梁的受弯承载力；与梁相连楼板的配筋增大梁的受弯承载力；由于地震引起轴力大于线性分析的结果,导致柱受弯承载力降低；非弹性反应中,柱反弯点的变化；柱的双轴受弯作用。由于现行规范不能包括以上所有不确定性,因此不能保证柱铰不在上部各层发生,1986年T.Paulay曾建议柱设计需要考虑一个超强系数2.5。为了避免或限制柱铰,规范都是针对纯框架提出的,不能保证这些方法对有填充墙框架同样适用。实际震害和试验结果都说明填充墙框架的塑性铰位置会受到影响(图1,2)。

2 框剪结构的剪力墙是对框架柱的保护

由于地震作用下很难阻止延性钢筋混凝土框架柱的柱铰出现,更现实一些的方法是设置剪力墙可比“强柱弱梁”对柱提供更可靠的保护,这是因为剪力墙可以控制层间位移,从而控制柱对曲率延性的需求,采用“强柱弱梁”方法较难避免柱铰,也难以控制层间位移,柱混凝土保护层脱落及纵筋压屈会造成竖向承载力损失,然而当加强水平箍筋约束,柱核心混凝土整体性得以保持,则不会引起严重影响。允许柱铰需要保持低轴力(低轴压比),加强约束减小箍筋间距和肢距,避免纵筋压屈,此外对于有砌体填充墙的框架还应沿柱全部高度适当加强箍筋约束,分析研究说明梁铰机制框架的抗震能力比柱铰机制框架的约能提高13,故建议允许柱铰时,可适当将柱承载力提高30%,当框架柱属于双向框架时,考虑双向受弯,提高系数可适当加大。

2002年8月新西兰T.Paulay教授发表对该文的讨论意见,基本肯定文章的观点并提出若干建议,主要如下:1)多层框剪结构的框架采用柱铰机制要避免形成软弱层(softstory)；2)采用柱铰机制时,框架梁应保持弹性；3)对塑性铰部位的构造应特殊考虑,一般情况梁塑性铰比柱塑性铰容易解决；4)根据“能力设计”原则,框剪结构中的框架和剪力墙的承载力可以相互补充,如多层框剪结构中各层的框架梁,由于重力荷载基本一致,可以采用统一设计,整体结构的抗震能力需求可以用剪力墙来弥补。

3 提高柱铰承载力及延性的无间隙弹簧体(NCS)

NCS(Nonclearancespringunit)填充混凝土作为核心柱(图3)

可以很大程度提高柱的受压承载力和延性,对受剪承载力也有一定贡献,但对抗弯、抗拉不起作用,NCS的核心混凝土有很高的抗压强度和变形能力,在高轴压作用下,NCS的混凝土压应变εc可达6%,NCS对提高框架柱塑性铰的抗震性能非常有利,且不会引起柱铰的转移。试验说明,压弯破坏型的柱(h0D≥5)用NCS加强可以使柱的极限侧移角提高一倍,同时可以降低轴向压缩变形,在高轴压比(n=0.8)及侧力作用下表现出良好的延性。对小剪跨(h0D=2.2)时设NCS与不设NCS的变形能力差别不大。NCS图4试件的轴向压力试验构件试验情况见图4,5。

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知识点：柱铰机制