・３０・ 林业科技情报 ２０１３ Ｖｏ１．４５ Ｎｏ．３ 由“中梁刚度放大＂到“强柱弱梁＂ 吕 峰 （黑龙江省林业设计研究院） ［摘要］ 通过对“中梁刚度放大”系数取值的不同观点的辩驳，分析楼板在框架体系中的作用，阐述“柱铰机制”形成的机 理并提出如何实现“强柱弱梁”的建议和方法。 ［关键词］ 强柱弱梁；中梁刚度放大；设计；力学；规范 Ｂｙ“Ａｍｐｌｉｉｆｃａｔｉｏｎ Ｏｆ Ｂｅａｍ Ｓｔｉｆｎｅｓｓ’’Ｔｏ “Ｔｈｅ Ｓｔｒｏｎｇ Ｃｏｌｕｍｎ Ａｎｄ Ｗｅａｋ Ｂｅａｍ” Ｌｖ Ｆｅｎｇ （Ｆｏｒｅｓｔ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ“ｔｈｅ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ａｍｐｌｉｉｃａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｆｅｎｔ ｏｆ ｂｅａｍ”ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｖｉｅｗｓ ｔｈａｔ，ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｏｏｒ ｓｌａｂ ｉｎ ｆｒａｍｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ“ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｆｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｃｏｌｕｍｎ ｈｉｎｇｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ’’ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｈｏｗ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ“ｓｔｒｏｎｇ ｃｏｌｕｍｎ ａｎｄ ｗｅａｋ ｂｅａｍ”． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｏｎｇ ｃｏｌｕｍｎ ａｎｄ ｗｅａｋ ｂｅａｍ；ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅａｍ ｒｉｇｉｄｉｔｙ；ｄｅｓｉｇｎ；ｍｅｃｈａｎｉｃｓ；ｓｔａｎｄａｒｄ 据２００８年汶川地震的震后统计，很多框架和 辩：结构承受的实际地震作用效应不会因为一 个系数的设定变化而变化，结构形式和截面决定受 力，和系数设定的多少无关。梁的刚度不放大，导 底框一抗震墙结构的框架柱柱端出现了破坏，这与 框架结构设计的原则——“强柱弱梁”、“梁端先 于柱端出现塑性铰，保证框架体系的延性”等是 相违背的。有一种观点认为这种现象是因设计中采 用了“中梁刚度放大”而引起的。针对这种观点， 分析了关于“柱铰机制”的形成机理并提出了如 何实现“强柱弱梁”的建议，希望抛砖引玉，和 大家探讨。 １主要概念 致计算结果中结构体系总的刚度偏小，自振周期变 长，结构总的地震作用减小。而考虑梁刚度放大才 会接近真实的反映刚度，计算得到的地震作用才更 能反映实际情况。系数改变带来的所谓受力变化仅 是建立的力学模型上的变化，不能改变实际受力。 即使仅在力学范畴讨论，梁的刚度放大后，竖向荷 载作用下的梁端弯矩也会减小的。弹性分析是确定 荷载效应后，通过配筋来满足承载力要求，而不是 配筋决定受力（这里暂不讨论塑性设计，塑性内 力重分布是在构件极限承载力阶段考虑的非线性分 析，本文仅针对弹性分析）。 采取延性能力计算和作用计算中取不同系数的 做法，导致变形和受力脱节。因为刚度是形成刚度 （１）“强柱弱梁”是抗震设计的一项基本要 求，体现了“舍局部，保整体”延性破坏的概念。 “强柱弱梁”的实质意义是保证柱的承载能力大于 梁的承载能力，而不是要求柱的刚度或者线刚度比 大于梁的相应指标。 （２）“中梁刚度放大”是考虑楼板作为梁的翼 缘对矩形截面梁所起的刚度放大作用的设计手法。 ２错误理解观点论辩 观点１：“只有计算位移时，才考虑梁刚度放 大系数，计算内力时不考虑。因为梁的刚度放大 后，其内力增大，配筋增大，从而使其承载力得到 提高……有可能由强柱弱梁转变为强梁弱柱（计 矩阵、进行下一步内力分析前的首要因素。实际的 有翼缘的矩形梁刚度不能随设计者设定计算系数来 改变，这明显是“承载能力阶段的问题转移到内 力分析阶段解决”。 观点２：“（考虑中梁刚度放大后）我们计算的 内力是Ｔ形梁的内力，而我们进行梁的配筋时， 用Ｔ形梁的内力计算矩形梁的配筋，使矩形梁的 算位移等指标时刚度放大取２．０，配筋等计算时取 １．０）”。 配筋增大，然而实际的受力再一次考虑了楼板翼缘 ２０１３ Ｖｏ１．４５ Ｎｏ．３ 林业科技情报 中钢筋的参与，这种情况会进一步加剧柱铰的形 梁端翼缘中楼板钢筋（承载能力记为Ｍ梅）属超 成”。 配，实际“广义梁端”极限承载力为：（ Ｔ形梁＋ 辩：其实并没有重复考虑翼缘作用，翼缘和楼 板） 板配筋不是一个概念，考虑翼缘刚度作用是结构分 因不能保证：叼Ｍ佛梁≥（ＭＴ形梁＋Ｍ板） 析阶段，考虑板筋是承载力分析阶段；如果按这种 思路，梁截面和梁的配筋也是重复考虑了，问题在 则极大可能形成：Ｍ柱＝叼 Ｔ形梁＜（ Ｔ形梁＋ 于配筋的重复而不是刚度计算有误。 幅），即：“柱铰机制”成立。 ３进一步分析 如果在内力分析阶段时矩形梁刚度不放大，因 ３．１ “强柱弱梁”是抗震的一项基本要求，是设 柱梁刚度比偏大，柱端分配弯矩较大，柱配筋的承 计的“目标”，而不是“手段和过程” 载力（记为叼 矩形梁，弯矩放大系数×按矩形梁刚 就目前一般的弹性设计来看， “梁的刚度放 度配筋后承载力）与梁刚度放大后的柱配筋的承 大”是必须的，和“强柱弱梁”没有矛盾，因为 载力（记为 Ｔ形梁，弯矩放大系数×按Ｔ形梁刚 刚度是客观存在，且这个前提是不能随设计者的主 度计算的配筋后承载力）比较虽然可能是偏大的， 观意志而转移的。 但依然不能在实际配筋后保证： 在弹性阶段，板及板中钢筋参与结构整体受力 ＇７ 矩形梁≥（ Ｔ形粱＋ 板），即：柱实际承载力 是事实，“梁的刚度放大”的目的是为了在整体计 ≯理论强柱弱梁下柱承载力。 算中体现楼板对整体刚度的参与而做的一种简化 ３．３ 问题出现的原因 ——就如在计算无梁楼盖时采用条板法分析是一个 经验丰富的设计者或审图人不一定都理解结构 道理，是一种在力学分析上的简化措施。 的力学原理和概念，规范条文也未必能完全体现事 规范并没有向设计者明确地指出梁柱承载能力 物的本质规律。 比的概念，仅仅通过调整配筋系数的形式来实现。 造成“强度计算时梁的刚度不放大”这个问 但是，仅仅加大柱的断面和配筋（柱的客观刚度） 题出现的源头为部分结构软件编制者和使用者的错 并不能保证“强柱弱梁”的形成，否则就没有必 误理解与应用，并试图用工程配筋去解决计算模型 要在重要梁端（９度和一级框架）验算梁柱端的实 的缺陷问题。 际承载能力比了。理论上，即使较大刚度比的梁柱 ４针对“强柱弱梁”的三个解决方法 通过调整配筋和断面也可以实现“强柱弱梁”，但 ４．１如《抗规》一样，采取梁端弯矩放大系数法 成熟的设计者是不会采取这种极端的方式。 和过去的规范一脉相承，比较容易被接受，也 ３．２对“柱铰机制”形成的理解 易被掌握。但缺点是没法针对具体工程量化，比如 放大梁的刚度，广义梁端所分配的弯矩增大 宽扁梁、厚板、短梁，其系数如果都相同则是极其 （应为矩形截面梁＋有效翼缘板共同承受），但配 不合理的。 筋时只配在矩形梁中，大部分的工程（８度及以 ４．２强度比关系法，概念上更清晰 下）板钢筋照配，但未考虑其受力作用，造成广 而且我们的抗震等级一级和９度区的验算也是 义梁的实际承载力大大提高。抗震中的“强柱弱 这样要求的，但比较繁琐。取得梁超配筋增加的承 梁”概念就此被部分破坏，塑性铰发生在梁上可 载力与柱配筋关系式，根据梁的实际承载力（含 能性减小，柱先于梁被破坏的可能性增大。梁超强 板）来调整柱的计算配筋（承载力）。应该考虑翼 （或强梁弱柱）的原因不是梁刚度的放大，而是因 缘影响再算弹性 Ｔ形梁，这里的翼缘影响不是指钢 楼板钢筋存在而引起的超配。梁刚度放大是在内力 筋，计算中考虑构件刚度与板配筋量无直接关系， 分析阶段讨论的问题，是种客观事实（楼板不配 板钢筋是翼缘受力的承受者并起骨架作用。 筋也存在），而楼板钢筋参与负弯矩分配是承载力 理想梁端负弯矩力学模型和配筋是： 的节点分析阶段讨论的问题。 （１）‘内力分析中根据具体截面情况，分段采 内力分析后应用于柱配筋的弯矩应该是： 樟 用不同的截面影响系数（即所谓刚度放大），得出 ≥ ，７ Ｔ形粱 形梁值（宜考虑至柱边）。 因为按Ｔ形梁计算的配筋都配于矩形梁中， （２）根据ＭＴ形梁配筋，配筋应减去影响翼缘 ・３２・ 林业科技情报 ２０１３ Ｖｏ１．４５ Ｎｏ．３ （上接第２１页）青楷槭生长较好，大于２０。时次 １ 之，小于１０。时的青楷槭生长最差。 １ １ 枢 １ 霉 百１ 惶 露 年龄（ａ） ＋下坡位＋中坡位＋上坡位 图３ 坡位对青楷槭生长的影响 参考文献 图２坡厦对臂楷槭生长的影响 ４．３坡位对青楷槭生长的影响 ［１］沈国舫．森林培育学［Ｍ］．北京：中国林业 此次调查的坡度分为上、中、下３个等级。以 出版社。２００１． 三年为一个龄级，做出各个坡位的高生长曲线，结 ［２］郑万钧．中国树木志［Ｍ］．北京：中国林业 果显示总体上青楷槭的生长中坡位要优于上坡位和 出版社．１９８５． 下坡位（如图３所示）。 ［３］聂绍荃．黑龙江植物资源志［Ｍ］．哈尔滨： ５结束语 东北林业大学出版社，２００３． 由以上实验可得出，以标准年龄为２０年生的 ［４］周以良．黑龙江树木志［Ｍ］．哈尔滨：黑龙 青楷槭优势木树高与坡度、坡向、坡位之间建立了 江省科学技术出版社，１９９６． 的回归方程相关显著，影响青楷槭生长的主要立地 ［５］青槽槭的播种育苗技术［Ｊ］．防护林科技， 因子依次为坡向、坡度、坡位。根据各立地因子 ２０１１，１（２）． （坡向、坡位、坡度）对青楷槭的影响分析，最适 于青楷槭生长的立地条件为阳坡、中坡位。 来稿日期：２０１３—０３—０８
