框架结构中梁柱偏心对结构内力和位移的不利影

　　摘要：框架结构中梁柱偏心会对结构构件尤其是柱的受力带来不利影响，所以《高层建筑混凝土结构技术规程》规定框架梁、柱中心线宜重合，当梁柱中心线不能重合时，计算中应考虑偏心对结构的影响。梁端加腋能减小梁柱偏心距，并已为众多试验所证明可改善梁柱节点的受力状况，但如果其设置的尺寸不合适，反而会给结构带来不利影响，所以，《高层建筑混凝土结构技术规程》规定可通过梁水平加腋对梁柱偏心进行处理，但同时对梁水平加腋的尺寸进行了限制。另外，由于梁柱偏心会增加结构的自振周期，所以在软弱地基上设计框架结构时，更应该避免梁柱偏心，以免对结构带来更为不利的影响。

　　关键词：框架结构 梁柱偏心 构件 内力和位移 不利影响

　　Abstract: the framework structure of eccentric structure component of beam-column especially the stress of the column is detrimental, so the technical specification for concrete structures of tall buildings provisions of the beam and column center line should be coincidence, when beam-column center line can't coincidence, the computer should be considered in the influence of eccentric structure. Haunched girder ends can reduce beam-column eccentricity, and has set up a file for many experiment proof to improve the stress of the joints, but if its setting not the size of the appropriate, but will give structure bring adverse effect, so, the concrete structures of tall building technical regulation provides through the beam is haunched level of beam-column eccentric processing, but at the same time to beam haunched level limits on the size of the. In addition, because beam-column can increase the eccentric structure natural vibration period, and so on in the soft foundation design frame structure, more should avoid beam-column eccentric, avoid to structure bring more unfavorable influences.

　　Keywords: frame beam-column eccentric component internal force and displacement effect

　　中图分类号： TU74 文献标识码：A 文章编号：

　　一、概述

　　框架结构由梁(横向、纵向)和柱刚性连接而成。框架结构体系具有建筑平面布置灵活，建筑空间大等优点，广泛应用于工业厂房和公共建筑中。

　　在竖向和水平荷载作用下，框架梁、柱将产生内力(弯矩、剪力和轴力)。在水平荷载作用下，随高度的增加，框架底部梁柱构件的弯矩和剪力显著增大，从而导致梁柱的截面尺寸和配筋量增加，给建筑平面布置和空间处理带来困难，在材料用量和工程造价方面也趋于不合理，因此其在使用层数上受限。

　　框架结构的抗侧刚度较小，在水平荷载作用下，侧移大，属柔性结构。由于框架结构变形大(包括顶点侧移和层间相对侧移)，从而使得非结构构件(如填充墙、装饰、设备管道等)破坏十分严重。在强震作用下，框架结构由于发生弹塑性变形而产生较大水平位移，因此要求框架结构要具有充分的变形能力，即要具有良好的延性。

　　采用框架结构时，应当根据层高、跨度、抗震设计烈度等具体条件，确定建筑层数和总高度的使用范围，在此范围内，框架结构的承载能力、侧向刚度都能满足设计要求，材料用量及造价也较合理。

　　由于框架结构抗侧刚度较小，构件截面亦较小，强震作用下，顶点侧移和层间相对侧移较大，容易产生震害，因而主要适用于非抗震区和层数较少的建筑。一般认为，在非地震设防区，框架结构不宜超过15层;抗震设防区，框架结构以不超过10层为宜，最大高度约为30m，当抗震设防烈度为9度时，不宜采用框架结构。

　　现有框架结构的设计大多是基于梁、柱中心线重合的前提条件下进行的，而在实际工程中，由于建筑立面的需要或使用功能的要求，存在梁轴线与柱轴线不重合的现象，这使得结构在竖向和水平荷载作用下，构件的受力机理和传力途径更加复杂。国内外多次大地震中发现，由于梁柱偏心造成框架节点有效宽度减小，承载力下降，节点破坏，最终导致整个框架的倒塌。

　　我国《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：框架梁柱中心线宜重合。当梁柱中心线不能重合时，在计算中应考虑偏心对梁柱节点核心区受力和构造的不利影响，以及梁荷载对柱子的偏心影响。 梁、柱中心线之间的偏心距，9度抗震设计时不应大于柱截面在该方向宽度的1/4;非抗震设计和6～8度抗震设计时不宜大于柱截面在该方向宽度的1/4，如偏心距大于该方向柱宽的1/4时，可采取增设梁的水平加腋等措施。设置水平加腋后，仍需考虑梁柱偏心的不利影响。可见，我国现行的规范将框架结构中的梁柱偏心分为两种情况：一为偏心距应(宜)小于该方向柱宽的1/4，此时忽略偏心影响;二为大于柱宽的1/4，此时加腋，并仍考虑偏心影响，但规范中未明确设计中如何对偏心的影响加以考虑。

　　由于规范未明确梁柱偏心会给结构带来的不利影响及具体的设计方法，使得设计人员在进行设计时无据可依，计算出的内力和位移有时与实际有一定出入，这种出入有时会对结构带来极为不利的影响，针对这种情况，本文采用有限元分析软件SAP2000建立模型，对存在梁柱偏心的框架结构的内力及位移进行计算分析，对存在梁柱偏心的框架结构的设计提供了一定的理论依据和建议。

　　二、模型简介

　　本文所选算例为一10层框架结构体系，平面布置如图1所示，层高3m，柱截面尺寸0.8m

　　×0.8m，梁截面尺寸0.25m×0.6m，混凝土强度等级C40，板厚度0.1m，混凝土强度等级C25。建筑场地类别为II类场地土，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第二组，场地特征周期值为0.4s。由于建筑设计的需要，要求梁面与柱面平齐，使得梁柱偏心为0.275m，大于1/4柱宽。

　　采用SAP2000结构分析软件，按实际尺寸建立三维空间模型，如图2。模型分别按以下

　　三种情况建立：①不偏心(e=0);②偏心大于1/4柱宽(e=0.275m);③偏心大于1/4柱宽

　　(e=0.275m)时按图3所示尺寸对梁水进行平加腋。模型中梁、柱采用三维梁单元，楼板采用壳单元，各楼层采用弹性楼板假定，模型总自由度数约为31500个。

　　分析中混凝土自重取25kN/m3，考虑到后期使用及装修过程中会增加一部分附加质量，计算中将这部分质量按2kN/㎡计入楼板荷载中。活荷载取值按《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001)规定取为2kN/㎡ 。其他非结构构件如框架填充墙、内隔墙等会增加结构的质量，对结构的刚度会有所增加，分析中其影响通过将计算出的周期乘以折减系数0.7予以考虑。

　　地震作用按振型分解反应谱法和时程分析法两种方法进行计算，分别考虑x向和y向单向水平地震作用。另外，为进一步分析框架结构中的梁柱偏心对结构产生的扭转影响，还考虑了双向水平地震作用(x向：y向=1：0.85)对结构的影响。振型分解反应谱法中振型组合方法采用完全二次型组合法—CQC法，地震反应谱根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001)相关规定确定，水平地震影响系数最大值为 αmax=0.16。时程分析中的地震波选用1940年美国Elcentro波南北分量前8s，其为Ⅱ类场地常用的地震波，也是国内外动力分析和动力试验中应用最为广泛的地震波，分析中其加速度峰值按《建筑抗震设计规范》规定调整为70cm/s2。

　　三、分析结论

　　通过对模型的计算、分析，得到如下结论：

　　⑴框架结构中梁柱偏心会造成结构抗侧刚度轻微降低，从而导致结构周期稍有增加，在一定程度上会增加结构的平动和扭转效应。梁端加腋可适当提高结构的抗侧刚度，减小梁柱偏心对结构周期的影响，减弱梁柱偏心对结构增加的平动效应，但对扭转效应的影响不明显。以上表现皆主要反映于低阶振型。

　　⑵竖向荷载作用下，梁柱偏心使得角柱的弯矩和剪力下降，使得存在梁柱偏心的其他柱偏心方向的剪力和垂直于偏心方向的弯矩上升，且上升幅度较大，本文模型中上升幅度为60%左右。梁端加腋会增加梁传至柱的剪力，反而可能使得偏心引起的结构的弯矩和剪力上升趋势增强，对结构带来不利影响。

　　⑶水平地震作用下，由于梁传至柱的剪力增大，从而使得梁柱偏心方向与水平地震力方向垂直的柱的弯矩和剪力的变化趋势越加明显，并使得结构的扭转效应增强。梁水平加腋能对梁柱偏心产生的扭转效应稍加改善，但改善效果并不明显。

　　⑷梁柱偏心对梁受力的影响相对于柱来说较小，梁会随柱弯矩和剪力的变化而产生相应的变化。梁水平加腋会使得自重产生的弯矩和剪力有所上升，对梁的受力带来不利影响。

　　⑸地震作用时，梁柱偏心会使得结构的楼层位移稍有上升，梁水平加腋会使得结构的楼层位移有所下降，但变化幅度较小，如本文模型中变化仅为2%左右，基本上可忽略其影响。梁柱偏心会延迟结构的内力和位移到达最大值的时间，但其最大值会有所增加，梁水平加腋会使得结构到达最大值的时间提前，但同时会使结构的地震响应增大，从而使其最大值增大。

　　由以上几点结论可看出，框架结构中梁柱偏心确实会对结构构件尤其是柱的受力带来不利影响，所以《高层建筑混凝土结构技术规程》规定框架梁、柱中心线宜重合，当梁柱中心线不能重合时，计算中应考虑偏心对结构的影响。具体来说，设计中建立模型对结构进行分析时，应对梁柱偏心进行设置后再进行分析，目前大多数结构分析软件都具有设置线偏心的功能，所以建模时能很容易的实现梁柱偏心的设置。梁端加腋能减小梁柱偏心距，并已为众多试验所证明可改善梁柱节点的受力状况，但如果其设置的尺寸不合适，反而会给结构带来不利影响，所以，《高层建筑混凝土结构技术规程》规定可通过梁水平加腋对梁柱偏心进行处理，但同时对梁水平加腋的尺寸进行了限制，设计中对梁进行水平加腋时，应严格按照规范规定进行。另外，由于梁柱偏心会增加结构的自振周期，所以在软弱地基上设计框架结构时，应尽量避免梁柱偏心，以免对结构带来更为不利的影响。

　　参考文献

　　(1) 熊丹安.钢筋混凝土框架结构设计实例.武汉：武汉理工大学出版社.2005.

　　(2) 柳炳康,黄慎江,周安,张智梅. 钢筋混凝土框架梁柱偏心节点抗震性能的试验研究. 建筑结构学报,1999，20(5).

　　(3) 郑祺,方鄂化. 钢筋混凝土大偏心梁柱节点抗震性能的试验研究.建筑结构学报.1999，20(6).

　　(4) 孙捷, 柳炳康,周安. 不同加腋宽度下钢筋混凝土偏心节点的抗震性能.合肥工业大学学报.2001，24(5).

　　(5) JGJ 3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程

　　(6) GB 50009-2001.建筑结构荷载规范.

　　(7) GB 50011-2010.建筑抗震设计规范.

　　(8) GB 50010-2010.混凝土结构设计规范.

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文章名称： 框架结构中梁柱偏心对结构内力和位移的不利影

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