汶川地震引发的关于强柱弱梁的分析
摘要：框架结构抗震概念设计的要求，结构应具有多道抗震防线，其中
一个原则是“强柱弱梁”。但是在汶川地震中，“强梁弱柱”结构十分普遍。本文从框架结构的破坏机制着手，结合国家规范，分析了各种导致不能实现“强柱弱梁”的因素，同时提出对现有规范的修订。
关键词：强柱弱梁；可靠度；大偏压；小偏压
2008年5月12日14时28分四川省阿坝州汶川县(北纬31.00，东经103.40)发生了里氏8.0级地震，震中位于汶川县映秀镇。汶川大地震发生在青藏高原的东南边缘、川西龙门山的中心，位于汶川。茂汶大断裂带上；震源深度约lO--20km，是一次以逆冲为主、兼少量右旋走滑分量的地震，断层向西北方向倾斜。这次地震是新中国成立以来，破坏性最强，涉及范围最大的一次地震，直接严重受灾地区达10万平方公里，对四川省汶川县、都江堰市、北川县、青川县、绵竹市、什邡市、彭州市及平武县等多个地区，以及陕西和甘肃部分地区村镇的建、构筑物及生命线工程等造成了不同程度的破坏。
一．框架破坏机构和“强柱弱梁”
按照钢筋混凝土框架柱抗震概念设计的要求，结构应具有多道抗震防线，其中的一个原则是“强柱弱梁”。在强烈地震作用下，梁柱节点往往是多层框架破坏的主要部位。地震中节点的破坏多为柱端混凝土被压碎、剥落，钢筋压屈外鼓，破坏首先发生在柱子上。这对整个框架很不利，因为某层某一柱端发生破坏，其他柱端也容易发生破坏，从而使建筑物倒塌（见图一）。反之，如果破坏发生在梁端，要待所有的梁或绝大部分的梁出现破坏时，整个建筑物才会倒塌。所以，在设计上有意加强柱子的抗震能力，在地震作用下形成“梁铰型”破坏机制（见图二）。可见，“强柱弱梁”型结构至少存在两道抗震防线：一是从弹性到部分梁出现塑性铰；二是从梁塑性铰发生较大转动到柱根部破坏。在这两道防线之间，
大量地震输入能量被结构的弹塑性变形所消耗
【1】
。故结构设计时应达到“强柱
弱梁”破坏形式的多层防线要求，但是在此次汶川地震中，框架柱的破坏明显重于梁，柱端与节点的破坏较为突出，即所谓的“强梁弱柱”结构很普遍。
二．国内规范关于强柱弱梁的具体规定及其分析
我国《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89)[2]
规定:一、二级框架的梁柱节点处 ，
除顶层和柱轴压比小于0.15者外,梁柱端弯矩应分别符合下列公式要求 :
但是,按“强柱弱梁”进行设计以后，使框架两个平面内柱子抗弯强度之和大于梁抗弯强度之和，并不一定能保证柱端不出现塑性铰。首先，由于地震高振型的影响，遭到瞬时大地震作用时柱子产生的弯矩图与按规范规定的侧向静荷载求出的弯矩图差异很大，有可能出现柱子单曲率(即反弯点不在本层内)的情况，这样，要求柱子的抗弯强度再增加一倍;地震的地面运动可在任意方向发生.当地震作用方向与主轴成一角度时，可能使两个主轴方向的梁都达到屈服，而两个方向的梁同时屈服又将增加传给柱子的总弯矩和剪力;在强烈地震作用下，随者梁端塑性铰处混凝土保护层的剥落，柱端混凝土保护层也跟着剥落，于是柱子的抗弯强度就会显著降低；【3】由于轴力和弯矩的相关性等一些因素的影响，对柱端弯矩简单的乘以一个增大系数进行设计，不能保证框架柱具有相同的可靠度。
规范中虽然对竖向荷载作用下梁的刚度考虑了楼板的增强作用,将中梁和边梁刚度一般分别放大到原来的2 倍和1. 5 倍,但对框架现浇楼板内与梁肋平行的钢筋参与梁端负弯矩承载能力的问题没有做出明确规定。实际结构中楼板钢筋
残余框架梁受力的钢筋很可能超出框架梁自身配筋面积的10 %以上,因此现行规范规定的“强柱弱梁”要求,实际上无法实现。梁刚度放大系数取值的合理性，对于工程设计也具有重要的意义。在进行框架结构计算时，梁、柱的刚度对结构的受力有直接的影响。框架柱的刚度主要与材料的弹性模量及截面尺寸有关，而框架梁的刚度不仅与材料弹性模量和截面尺寸有关，还与现浇楼板的厚度及结构跨度有关。在实际工程中，梁板是整体现浇的，板的厚度及结构跨度对梁的计算刚度会产生较大的影响。在结构设计时，通常采用刚度放大系数来考虑这些因素的影响，如果刚度放大系数取值不当，梁、柱的受力与实际受力可能会产生较大的偏差，从而会导致结构设计不合理。
三.按强柱弱梁设计的可靠性分析
对于结构抗震设计而言，防止预估罕遇地震作用下的倒塌，是最根本的设防目标。因此，抗震设计中的概念设计、抗震构造措施等都是为了从总体上提高房屋的整体抗震能力，这是极为重要的抗震设计要求。但是，结构抗震的二阶段设计是不能割裂的，“小震”作用下的构件承载力验算是为了保证结构构件有必要的承载能力，也是提高房屋抗震能力的一个重要组成部分。
【4】
对于结构抗震可
靠度而言，最主要的分析应是结构在50年内各种不同强度地震作用下不倒塌的概率，更进一步说，应是结构在50年内各种不同强度地震作用下处于基本完好、轻微破坏、中等破坏、倒塌的概率载的组合。但是，在第一阶段设计中要考虑与永久荷载、严重破坏和竖向可变荷由于不考虑地震作用的结构设计已采用了以概率为基础的承载能力极限状态设计方法，因此进行“小震”作用下的承载能力可靠度分析，是把抗震设计建立在概率基础上的基本工作之一。分析地震作用下结构承载能力极限状态的可靠度水准，通过计算各类结构中典型工程实例的可靠指标，也能够反映出目前各类结构的可靠度水平。但是，体现现行抗震设计的各类结构不同构件的最底可靠度水准，还是要根据抗震规范设计表达式进行分析，即所谓的“校准”。
【5】
校准法就是对现行规范的安全度进行反演计算，找出隐含
于现有规范下结构的安全指标值。经过综合分析调整，据以制订今后设计采用的目标可靠指标，这实质上是对工程建设中长期积累经验的继承。
四． 柱子轴力和弯矩的相关性
偏心受压构件实际是弯矩和轴力共同作用的构件。因此，弯矩和轴心压力的不同组合使偏心距不同，将对给定材料、截面尺寸和配筋的偏心受压构件的承载力产生不同的影响。即在达到承载力极限状态时，截面承受的轴力与弯矩具有相关性，构件可以在不同的轴力和弯矩的组合下到达承载极限状态如（图三）N-M承载力实验相关曲线所示随着偏心距的增加，截面的破坏形态由“受压破坏”转化为“受拉破坏”。在受压破坏即小偏压时，随着偏心距的增加，构件的受压承载力减少而受弯承载力增加，（如图四）;在受拉破坏即大偏压时，随着偏心距的增加，构件的受压承载力和受弯承载力都减小（如图五）。文献【6】认为，框架柱的可靠性对轴力和弯矩的相关性很敏感，尤其是当活载比重较大且柱的配筋较少时。文章还认为，框架柱的可靠度随偏心距的变化而变化，若偏心距较小，可靠度随轴力和弯矩相关性的减小而增大，若偏心距较大，可靠度随轴力和弯矩相关性的减小而减小。