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摘要：汶川地震是我国建国以来最为强烈的一次地震。地震中大量建筑物倒塌，造成严重的人员伤亡和财产损失。在地震震害中，我们所设想的强柱弱梁屈服机制并没有预期出现。本文从简单阐述强柱弱梁屈服机制理论出发，分析现浇楼板和填充墙等因素对强柱弱梁屈服机制实现的影响，并提出了有关建议，为今后框架结构设计实现“强柱弱梁”屈服机制提供参考。
关键词：框架结构，强柱弱梁，现浇楼板，填充墙
1.概述
二十世纪70年代后期，新西兰的T.Paulay和R.Park提出了保证钢筋混凝土结构具有足够弹塑性变形能力的能力设计方法。该方法是基于非弹性性能对结构抗震能力贡献的理解和超静定结构在地震作用下实现具有延性破坏机制的控制思想提出的，可有效保证和达到结构抗震设防目标，同时又使设计做到经济合理。
能力设计方法的核心是，（1）引导框架结构或框架-剪力墙（核心筒）结构在地震作用下形成梁铰机构，即控制塑性变形能力大的梁端先于柱出现塑性铰，即所谓“强柱弱梁”；（2）避免构件（梁、柱、墙）剪力较大的部位在梁端达到塑性变形能力极限之前发生非延性破坏，即控制脆性破坏形式的发生，即所谓“强剪弱弯”；（3）通过各类构造措施保证将出现较大塑性变形的部位确实具有所需要的非弹性变形能力。
到二十世纪80年代，各国规范均在不同程度上采用了能力设计方法的思路。能力设计方法的关键在于将控制概念引入结构抗震设计，有目的地引导结构破坏机制，避免不合理的破坏形态。该方法不仅使得结构抗震性能和能力更易于掌握，同时也使得抗震设计变得更为简便明确，即后来在抗震概念设计中提出的主动抗震设计思想。
我国的《建筑抗震设计规范条文说明》[1]中指出框架结构的变形能力与框架的破坏机制密切相关。试验研究表明，梁先屈服，可使整个框架有较大的内力重分布和能量消耗能力，极限层间位移增大，抗震性能较好。我国现行的《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[1]规定，对于考虑地震作用组合的一、二、三级框架柱，除框架顶层和柱轴压比小于0.15者及框支梁与框支柱的节点外，柱端组合的设计弯矩应满足式（1）要求：
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（1）
一级框架结构及9度时尚应符合
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（2）
其中，
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为节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析分配；Mb为节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和，一级框架节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取零；Mbua为节点左右梁端截面反时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值之和，根据实配钢筋面积（计入梁受压筋和相关楼板钢筋）和材料强度标准值确定；c为框架柱端弯矩增大系数；对框架结构，一、二、三、四级分别取1.7、1.5、1.3、1.2；其他结构类型中的框架，一级可取1.4，二级可取1.2，三、四级可取1.1。
虽然规范对“强柱弱梁”的设计作了具体的规定，但在这次汶川地震中几乎没有看到设计规范所要求的“强柱弱梁”破坏机制。很多现浇框架结构柱出现塑性铰，柱的震害较重，而框架梁的震害较轻（见图1）。
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图1
2.现浇楼板和填充墙对实现强柱弱梁的影响
影响“强柱弱梁”屈服机制实现的原因有很多：框架梁跨度和荷载过大，使梁截面尺寸增大，梁端抗弯承载力增大；柱轴压比限值规定偏高，柱截面尺寸偏小；柱最小配筋率和最小配箍率偏小；填充墙等非结构构件的影响；现浇楼板对框架梁的承载力和刚度增大影响；梁端超配筋和钢筋实际强度超强等。本文主要从现浇楼板和填充墙两个方面进行分析。
2.1 现浇楼板的影响
现浇楼板一般与框架梁结合良好，共同工作能力强，可显著提高框架梁的抗弯刚度和承载力，主要体现在两方面：
（1） 在正弯矩区，楼板和框架梁共同组成一T型梁，有效增加了框架梁的受压区宽度。（2） 在负弯矩区，楼板内的超配钢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《建筑抗震设计规范条文说明》[1]指出：当计算梁端抗弯承载力时，若计入楼板内的钢筋、且材料强度标准值考虑一定的超强系数，则可以提高框架结构“强柱弱梁”的程度。但具体如何考虑楼板影响没有更具体的规定。
在实际的结构设计工作中，设计人员往往只是在计算中通过勾选程序中的选项采用《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）第5.2.4条表格中的方法，对于矩形截面混凝土梁（连梁除外），通过计算每根梁的楼板有效翼缘宽度，按照T型截面与梁截面的刚度比例确定每根梁的刚度系数；或直接输入中梁刚度放大系数和边梁刚度放大系数来考虑楼板对框架梁抗弯刚度的提高。但相应梁端抗弯纵筋仍全部配置在梁矩形截面内，同时楼板仍按自身受力另外在楼板中配筋。
以上的情况说明不考虑楼板钢筋设计出的框架梁可能无法满足实际结构中“强柱弱梁”的要求，实际结构中楼板钢筋参与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，实际无法实现。
那么国内外研究者对现浇楼板影响强柱弱梁屈服机制实现的研究状况又是怎样呢?以下列举两个例子：
（1）Ehsani[2]等人曾进行过一组对比试验，对有、无楼板和直交梁的足尺边节点各6个进行对比；对于带楼板和直交梁的节点，尽管在设计时考虑了梁的每侧有两根楼板纵向钢筋参与梁的受力，并以此为基础对柱的抗弯承载力按柱梁抗弯强度比1.1进行了设计，但在试验中仍然发现带楼板和直交梁的实测柱梁强度比分别只有0.89和0.87，造成塑性铰在板面以上的上柱端形成；
（2）French[3]统计了13个中节点和7个外节点的实验结果后，发现不考虑楼板的计算承载力比考虑楼板作用的实测承载力分别低了25%和17%。
很多研究者都认为：框架设计时需要考虑一定范围内楼板钢筋对梁的影响，才能保证“强柱弱梁”的实现。但是具体是多大的范围，国际上还没有形成统一意见。以下列举部分国外规范的具体规定：
（1）美国ACI318-02规范[4]和ACI352-02节点设计规范[5]都明确指出，现浇楼板对梁的负弯矩承载力有较大提高，验算框架柱梁抗弯承载力比时，梁端承载力特别是负弯矩承载力须考虑有效翼缘宽度范围内的楼板与梁协同工作，并对各种节点中有效翼缘宽度作了细致规定（一般取梁每侧6倍板厚范围内的楼板），在此基础上再考虑柱端弯矩增大系数c，以达到强柱弱梁的设计目标。
（2）新西兰规范则规定[6]，在确定框架梁所需负弯矩钢筋时，可以考虑板有效宽度范围内与梁肋平行的板内钢筋作为负弯矩受拉钢筋的组成部分，框架梁端矩形截面部分的负弯矩钢筋面积为除去相应楼板钢筋承载力贡献后的受拉钢筋面积。此时需注意，板有效宽度内与梁肋平行的钢筋应根据框架梁负弯矩纵筋的要求延伸足够长度后才能截断。
以上所述情况表明要彻底界定现浇楼板的影响程度还将是一个长远的工作。
2.2 填充墙的影响
考虑填充墙对实现“强柱弱梁”屈服机制的影响是一个复杂的问题。
（1）填充墙一般都是直接的砌筑在框架梁上，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，从而增大了结构的总体刚度，使基本周期减小约40~60%，使地震力增大。
（2）窗户上下部分的填充墙限制了框架柱上下部分的侧移变形，使框架柱形成短柱，产生剪切破坏。
（3）填充墙上下层的不合理布置，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，这种情况往往是出现在首层是商铺、停车场，上面是住宅、宾馆的建筑物上（如图2）。
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图2
（4）填充墙的平面布置往往也是不规则的，容易造成平面刚度分布不规则，引起扭转效应。
（5）现在实际工程施工中用到的填充墙材料类型也是五花八门，各种材料的刚度和强度等力学性能都不相同。具体的影响程度该如何考虑清楚也是十分复杂的。
所以在实际的结构设计中，设计人员只是通过周期折减系数等计算参数在结构计算时简单地考虑填充墙对整体结构抗震性能的影响是远远不够的。
那么我们该如何在实际工作中，充分考虑填充墙的影响呢？
（1）分清楚填充墙的结构功能：1）.参与结构受力；2）.不参与结构受力。对于参与结构受力的填充墙，填充墙可作为整体结构第一道抗震防线，可与周边框架可靠连接，形成组合墙，并应沿结构竖向连续布置。对于不参与结构受力的填充墙，填充墙与框架柱之间应预留足够的间隙，隔离两者的相互作用，保证主体框架结构的受力行为符合设计计算的条件。
（2）对于上诉（2）提及的情况可以通过以下措施来避免：在填充墙与框架柱之间设置足够间距，并用柔性防水材料填充，给框架柱预留足够的层间变形间隙。
（3）对于上诉（3）提及的情况可以通过适当加大首层柱截面、把首层设为薄弱层来进行结构计算，且在结构柱配筋时，适当加大首层柱配筋来解决。
所以在设计阶段考虑整体结构抗震方案时，应计入填充墙的因素，这不仅需要结构设计人员有丰富的结构设计经验，而且也要求结构计算软件不断的改进。
3.结语
大悲无泪，大痛无声。一场汶川大地震摧毁了无数的建筑物，对于我们工程人员特别是结构设计人员来说不仅仅是满腔悲哀伤，更是一份责任。
本文仅仅分析了现浇楼板和填充墙两个影响因素，而影响“强柱弱梁”屈服机制实现的因素还有很多。在实际的结构设计工作中，结构设计人员应对整体结构进行全面细致的分析，充分考虑各种因素的影响。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[2]中华人民共和国国家标准GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[3] 唐九如.钢筋混凝土框架节点抗震[M].东南大学出版社，南京，1989.
[4] French C.W.and Moehle J.P.Effect of Floor Slab on Behavior of Slab-Beam-Column Connections[J].，Design of Beam-Column Joints for Seismic Resistance，SP-123，American Concrete Institute，Farmington Hills，Mich.，1991：225~258.
[5] Building Code Requirements for Structural Concrete（ACI 318-02）and Commentary（ACI 318R-02）[S].ACI Committee 318，2002.
[6] Building Code Requirements For Structural Concrete（ACI 318-02）And Commentary（ACI 318R-02）[S].ACI Committee 318，2002.
[7] 吴勇，雷汲川，杨红，白绍良.板筋参与梁端负弯矩承载力问题的探讨[J].重庆建筑大学学报，2002，24（3）：33~37.