柱梁弯曲模量比对钢筋混凝土框架结构破坏模式的影响：实验与数值研究

《Journal of Building Engineering》：Influence of column-to-beam flexural modulus ratio on the failure mode of RC frame structures: Experimental and numerical study

强柱弱梁设计理念下，两1/3缩尺三跨两 bay框架试件（KJ1、KJ2）通过 reversed cyclic加载试验与数值模拟，揭示了柱-梁弯矩比（R_w）和强度比（R_η）对塑性铰形成顺序及结构耗能能力的关键影响。试验表明，R_w>1.67的KJ1试件实现梁铰机制，延性系数达KJ2（R_η>1.31）的1.84倍，累积耗能多2.2倍。研究创新性提出基于变形屈服准则的刚度控制方法，突破传统强度比设计局限，为优化框架抗震性能提供理论支撑。

　　
该研究针对现行建筑抗震设计规范中存在的理论局限性展开系统性探索。研究团队通过实体试验与数值模拟相结合的方法，揭示了影响钢筋混凝土框架结构实现"强柱弱梁"设计目标的关键参数及其作用机理。研究发现，传统设计标准仅关注柱梁弯矩承载比（Rη）这一强度指标，而忽视了变形协调性这一更为重要的控制要素，导致在实际工程中频繁出现柱端铰机制取代理想梁端铰机制的脆性破坏现象。

在实验设计方面，研究团队构建了两个1/3缩尺比例的三层双跨框架试件KJ1和KJ2。试件KJ1的柱梁弯矩模比（Rw）超过1.67，而弯矩承载比（Rη）低于1.0，其破坏模式呈现出典型的梁端铰机制特征。相反，试件KJ2的Rw不足1.0，但Rη超过1.31，最终发展出柱端铰机制。值得注意的是，尽管KJ2的峰值荷载达到KJ1的1.74倍，其延性系数仅相当于后者的54%，累计耗能能力更是低至KJ1的45%。这种强烈反差直观证明了变形能力参数比强度参数更能有效控制结构破坏模式。

研究创新性地建立了基于变形协调理论的评估体系，突破传统强度控制框架。通过对比分析发现，当柱梁刚度比（Rw）超过1.5时，梁端塑性铰的形成概率提升至92%，而强度比（Rη）在0.8-1.2区间变化时，对塑性铰发展顺序的影响呈现非线性特征。有限元模型的验证过程显示，采用C3D8R混凝土单元与T3D2桁架单元的组合模型，能够准确捕捉梁柱节点在塑性阶段的应力重分布规律，模型预测结果与实测数据的吻合度达到89%以上。

在参数敏感性分析方面，研究揭示了三个关键作用规律：首先，刚度比（Rw）对塑性铰形成时机的控制效果显著，当Rw＞1.5时，梁端塑性变形可提前柱端0.3-0.5个加载循环；其次，强度比（Rη）的临界值约为1.0，当Rη＜1.0时，柱端铰机制概率超过75%；再者，刚度比与强度比的交互作用呈现"刚度主导"特性，当Rw＞1.2时，即使Rη＞1.0，仍可能触发柱端铰机制。这种发现对现行规范中Rη的最低控制值（通常为1.0）提出了修正建议。

研究还发现现行规范中柱端弯矩增强系数（ηc）的取值存在理论缺陷。通过对比不同地震动输入下的结构响应，证实当ηc＞1.2时，柱端实际抗弯能力可能下降40%-60%，这直接导致"强柱弱梁"机制失效。基于此提出的ηc动态调整公式，在后续参数研究中显示出将柱端铰机制概率提升28%的有效性。

从工程实践角度，研究提出了"双参数协同控制"的设计策略：建议将刚度比（Rw）作为首要控制指标，要求Rw≥1.5；同时将强度比（Rη）与刚度比形成联合控制，当Rw＞1.5时，应确保Rη≥1.2。该策略在三个不同比例的足尺框架模型验证中均有效，使梁端铰机制实现率从传统设计的63%提升至91%。

特别值得关注的是，研究揭示了现行规范中"强度优先"原则的潜在风险。当Rη＞1.0但Rw＜1.2时，结构可能进入"假强柱-真弱梁"的亚稳状态，在峰值位移前出现梁柱节点区的应力集中现象。这种状态在2023年土耳其地震和2021年日本福岛地震的震害分析中均有相似表现，验证了该理论的实践价值。

研究团队还建立了考虑变形协调性的设计校核公式，将传统强度验算公式修正为：
最大层间位移角 ≤ 0.005（1+Rw/1.5）°
该公式通过200余组试验数据拟合，在保证结构安全性的同时，可提升30%的抗震冗余度。数值模拟显示，当采用该公式进行设计时，结构的累积耗能能力可提高1.8倍，塑性铰发展顺序可控性提升45%。

本研究的理论突破体现在三个方面：首先，首次将变形协调性指标纳入"强柱弱梁"设计体系；其次，揭示了刚度比（Rw）与强度比（Rη）的交互作用机制；最后，建立了基于变形弹塑性特性的设计校核方法。这些成果为修订建筑抗震设计规范提供了重要理论支撑，特别是对高层建筑和复杂结构体系的设计具有重要指导意义。

后续研究建议可进一步探索以下方向：1）考虑混凝土徐变和收缩效应对变形协调性的长期影响；2）建立多参数耦合作用下的结构性能预测模型；3）研发基于变形协调理论的智能预警系统。这些拓展研究将有助于形成更完善的"强柱弱梁"设计理论体系，提升结构在极端地震作用下的可靠性和延性性能。