再议“强梁弱柱”、“强弯弱剪”(好贴,欢迎大家踊跃讨论)
曾是土木人
2010年12月31日 13:24:14
只看楼主

此贴来自中华钢结构论坛:http://okok.org/forum/viewthread.php?tid=206240&;extra=page%3D1 http://user.qzone.qq.com/346296192/blog/1283995597 先看看傅学怡老师如何看待“强梁弱柱”这个问题的。(摘自 傅学怡,汶川、台湾建筑震害启示——改进规范的几点建议,《汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告》P523)

此贴来自中华钢结构论坛:http://okok.org/forum/viewthread.php?tid=206240&;extra=page%3D1
http://user.qzone.qq.com/346296192/blog/1283995597
先看看傅学怡老师如何看待“强梁弱柱”这个问题的。(摘自 傅学怡,汶川、台湾建筑震害启示——改进规范的几点建议,《汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告》P523)
究其原因,主要是整浇楼盖发挥了两大作用,一是卸荷作用,二是抗力作用。具体分析如下:
(1) 我们在进行结构整体计算分析时,都是假定荷载的传递路径为:板→梁→柱;而实际上,很多荷载通过板直接传递给了柱。这样,根据假定算出来的框架梁弯矩是个“假”弯矩,和实际情况差别很大。
(2) 要让框架梁屈服,楼板就要屈服,楼板的钢筋和梁的钢筋是共同工作的,所以实际上整个现浇钢筋混凝土结构中的框架梁是得到了增强。
(3) 框架柱无依无靠,地震作用下,框架柱容易首先被地震作用击坏。
要解决这个“强梁弱柱”,就要反其道而行之,采取一系列行之有效的措施:
(1) 在计算上,充分考虑楼板的作用,采用壳元细分。
(2) 框架梁弯矩取到柱边。
(3) 充分考虑板的钢筋作用,围绕着框架梁平行方向的板的钢筋,充分考虑。
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(下面是我自己的一些看法:)
框架结构中,“强梁弱柱”破坏机制的出现对我们的结构分析的威胁是很大的。这将直接导致结构的破坏模式不按我们原先设想的过程出现(先出现梁端塑性铰,耗散地震能量,再出现柱端塑性铰接,最后结构倒塌破坏);一旦柱铰率先出现,则结构直接进入可变机构体系,很容易直接发生倒塌破坏,更谈不上延性耗能了。
“强梁弱柱”、柱铰机制在全世界范围普遍都出现过;我不知道在其它国家,例如像日本、美国这样抗震水平较发达国家中,在历次强震是否也大量出现“强梁弱柱”的破坏机制?如果这是一个共性的问题并普遍出现的话,我想,我们就应该好好反思一下,到底是什么原因导致了结构的实际破坏情况形态与我们原先设想的会存在这么大的差别。
很多专家和学者都指出楼板的作用被低估(例如楼板对梁刚度和承载力的贡献)是导致“强梁弱柱”出现的主要原因。我这里再补充几点我自己的看法,不对的地方望大家批评指正。
1、楼板的作用
正如专家们所说的,楼板的作用对框架梁的刚度和承载力的影响并不如我们原先设想的那样,从而造成了梁相对于柱还是很强的,从而造成了“强梁弱柱”的破坏形态。我认为,楼板和梁,实际上形成了一种空间体系,使得大多数情况下梁和板是空间共同工作的。 在实际设计中,我们通过简化为T型截面梁来近似考虑楼板的作用(T型截面翼缘宽度即板的有效宽度),或通过放大梁的截面刚度(中梁*2,边梁*1.5)来近似考虑楼板与梁的共同工作。我觉得还不够,因为楼板与梁整浇,相当于将梁和板共同组成了一个结构体系(楼盖),变形要协调,某一根梁发生弯曲,将带动楼板也发生弯曲,而由于变形协调,楼板的弯曲势必带动附近另外一根梁也发生弯曲,梁带动板、板又带动梁,使得楼板一定范围内的梁都参与了共同作用,这就不再是放大一根梁刚度可以体现的事情了。我觉得,梁板体系是一个空间体系,要真实模拟它,宜将梁和板同时建模,并将板用壳元细分。
楼板是一种平面内刚度很大的构件,框架梁依附于楼板,实际上得到了楼板的“庇护”, 要想梁发生塑性铰屈服机制,板就得屈服,而在梁板体系的空间作用下,要出现这种机制似乎比较难。而再看看可怜的框架柱吧,无依无靠,孤军奋战,要抵抗地震时巨大的水平剪力,极为不利啊。
2、地震作用的传力路径
  如果说楼板的作用导致梁的刚度和承载力被增强,从而使得我们原先的“强柱弱梁”平衡发生转移的话,我想,这应该是有限的。 梁再怎么强,在那么强的地震作用下,为何不发生明显的破坏:o ?甚至当柱端都破坏得不成样子了,而梁和楼板却一点裂缝都没有?如果按照我们原先的设计,节点弯矩在梁和柱间分配,就算梁的承载力得到了楼板的增强,但梁所分配到的弯矩再怎么说都不至于使梁不进入塑性阶段,发生一点点裂缝啊?这个现象似乎另人费解。 我大胆猜想:强震时,结构的内力似乎没有传递到梁上!
通常我们认为结构的传力路径是:板→梁→柱;而我认为,地震时地面强烈振动时产生的结构传力路径是:柱→节点→板。这个观点大家可能会反对。我想举个简单的例子来说明。还是那个象棋子的例子:在桌面上垫一张纸,上面依次放几个象棋子,然后快速抽动那张纸,想想整个过程的传力路径是怎样的?我想,首先,上面的棋子由于惯性要保持原来的状态,当我们抽动纸的时候,实际上是通过纸和象棋之间的摩擦力自下而上进行传递的,从而带动整个结构运动。再次,在抽纸的一刹那,上部象棋子的惯性力并不是立即就产生的,有一个传力滞后的过程,下面一层的象棋子与上面一层象棋子之间的摩擦力是带动整个结构发生运动的唯一驱动力。
再用这个象棋子的例子来类比实际的结构:地震时地面的强烈振动(特别是初始时刻)相当于是一个“抽纸”的效应;在这个过程中,如果我们把二层以上的结构看成是一个整体,与地面通过底层框架柱相连接;这时候,地震时地面振动要带动上部结构一起运动,传力路径是怎样的呢?我想,似乎是在底层柱先产生了剪力,这个剪力向上传递,再传递给了梁柱节点,然后再传递给了楼板,从而使得楼面也发生了水平运动的加速度。而这个过程梁几乎没有什么受力,也许只是产生了一些轴力,但要知道楼板的面内刚度是很大的,框架梁分配的轴力也不会非常大,也就是说在这个过程中,梁没有出现受弯状态,或者说受弯很有限。结构就这样自下而上地,下层通过本层框架柱带动上层结构一起发生运动, 当某一层的总剪力大而抗侧能力又比较弱时(薄弱层),这层的框架柱就很可能要发生破坏了一般情况下,底层的剪力较大,又经常是空旷空间,底层柱无依无靠:'( ,最容易发生脆性剪切破坏。
再想想,结构什么位置最容易发生这种脆性剪切破坏:( ?我想很可能出现在竖向分体系和水平分体系的交接处,即柱的顶部和柱的底部:lol ;因为柱顶与楼盖相连,水平刚度发生了突变,并且节点区应力本来就复杂,也容易发生破坏。 看了很多这种“强梁弱柱”的震害照片,我总觉得不像是一种弯曲破坏,而更像是一种“剪切破坏”,更确切地说是一种“冲切破坏”,柱端似乎被巨大的突加的快速变化的水平地震剪力“冲切”破坏了,甚至导致了楼面和柱顶的水平错位;而这时我们的框架梁好像还稳坐钓鱼台,一点事都没有:D 。
我们实际计算时考虑地震作用,往往是根据计算得到的水平地震力,施加在水平楼面处(如底部剪力法),进而计算结构构件的内力并进行设计。这里可以认为结构的传力路径是:板→梁→柱,从而通过梁柱节点的弯矩调幅实现我们需要的“强柱弱梁”机制。但我想,地震时地面强烈振动造成的传力机制与此不同,一方面是由于地震作用的快速加载机制与静力加载会存在巨大不同,另一方面,地震时地面对结构响应的输入实际上是一种“自下而上”的传力过程,结构通过水平抗侧构件(如框架柱、剪力墙等)逐层向上传递,从而使得整个结构发生剧烈运动。因此我觉得,我们在静力计算时的一些假定,放在地震这种快速动力加载状态下(实际上是惯性)是否一定能够成立,值得我们仔细考虑一下。

3、“强剪弱弯”机制
我们知道 剪切破坏是一种脆性破坏,而弯曲破坏是一种延性破坏;在结构设计中我们要保证结构不出现剪切破坏,而出现延性较好的弯曲破坏(如梁端塑性铰)。保证了“强剪弱弯”,我们就可以对梁柱节点进行弯矩调幅,从而实现“强柱弱梁”了。但似乎情况又没那么简单了,灾区又出现了一大批“强弯弱剪”型破坏机制。 例如,框剪结构的连梁大多出现X型剪切裂缝,而不是我们希望的弯曲破坏形式:@ ,这无疑又打乱了我们预期的结构破坏模式,对我们的结构分析造成了威胁。
地震作用下,结构的底层框架柱将承受极大的水平剪力,本身框架柱这种竖向构件用来抵抗水平力就十分不利,且强震下这个剪力非常之大,更加剧了这种不利情况。我想这时候,我们原先的“强剪弱弯”是否有被打破的趋势呢?设想如果这种情况下,框架柱的破坏由剪切破坏控制,那么这时候再通过弯矩调幅来实现“强柱弱梁”实际上已较为困难,因为剪切破坏已先于弯曲破坏出现了。绝对永远不发生剪切破坏的构件,我觉得实际上是不存在的。
一点建议
既然框架柱这种竖向构件来抵抗巨大的水平地震作用会很不利,直接通过大幅增加柱截面和纵筋、箍筋配筋率来实现“强柱弱梁”,这样的柱估计要做得非常大;这时候估计建筑师们和业主们就要发脾气了。 我觉得,与其在“强柱弱梁”这个问题上绕来绕去,不如直接考虑优化结构体系为妙:) 。既然用柱来抵抗水平剪力不利,那干脆就在结构体系内再引入一个附加抗侧体系吧。例如, 在柱间布置钢斜撑,用这些斜撑来抵抗地震的水平力。注意到灾区的一些工业厂房,由于布置了斜撑,虽然有的斜撑已经被压曲或拉断,但实际上框架柱得到了保全,实现了大震时主体结构“大震不倒”的目标。日本的许多框架结构就采用了这种做法,对建筑影响也较小,用在既有结构加固上也方便,很容易推广。


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[ 本帖最后由 icanfly.666 于 2011-1-2 13:28 编辑 ]
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百态缤纷
2011年01月01日 15:03:23
2楼
地震的作用确实是这个传递的过程,分析的很透彻啊
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wchging
2011年01月01日 20:31:46
3楼
地震作用有人能分析清楚吗,都是简化的吧,
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飞翔的海
2011年01月11日 11:20:07
4楼
抗侧刚度是由柱提供的,没有那么多的想法,提高抗侧刚度就是的啦
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littlestile
2011年01月11日 13:32:40
5楼
地震作用本身就存在着不确定性吧
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cgws2008
2011年01月12日 20:57:00
6楼
好文章 仔细拜读
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wxlin1262005
2011年01月12日 21:33:04
7楼
就如楼主和国内外其他研究者指出的那样,楼板/填充墙对梁的承载力和刚度都有很大的贡献,而框架柱比较孤单;要真正实现“强柱弱梁”屈服机制还有很长的路要走
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flarexing
2011年02月11日 09:03:45
8楼
认真拜读了楼主的主张,非常认同,有以下几点:
1.梁板共同作用机制, 要想实现“强柱弱梁”必须得让板屈服
2. 地震下荷载传递路径:柱→节点→板,我补充一点应该是 柱→节点→梁板组成的组合体
3. 地震作用下,柱发生剪切破坏在先,除非柱承载力足够强能够抵御地震作用(现有条件下不同过梁板的泄力作用不现实)
4.地震下,为确保“强剪弱弯”楼主主张的采用增加斜撑新结构形式不错,这种形式在工业建筑中常用。
5.我 建议:可以通过施工,设计等手段减小楼板对梁的强化作用,比如有意识的增加楼板缝(可以不是通缝)(同时保证防水), 人为减小板的作用。个人观点未必成熟,希望各位同行提宝贵意见!

[ 本帖最后由 flarexing 于 2011-2-11 09:10 编辑 ]
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john850617
2011年02月11日 09:27:13
9楼
认认真真的看了楼主的文章,非常有见地,受益匪浅。
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xzwp
2011年02月11日 09:28:32
10楼
楼主的分析很有道理,实际上新的抗规中已体现了楼主的分析思想
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xzwp
2011年02月11日 09:31:21
11楼
例如板的作用及强柱弱梁按实际配筋校核,而不是一味要求对柱的内力效应放大
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