摘要：框架結構中梁柱偏心會對結構構件尤其是柱的受力帶來不利影響，所以《高層建筑混凝土結構技術規程》規定框架梁、柱中心線宜重合，當梁柱中心線不能重合時，計算中應考慮偏心對結構的影響。梁端加腋能減小梁柱偏心距，并已為眾多試驗所證明可改善梁柱節點的受力狀況，但如果其設置的尺寸不合適，反而會給結構帶來不利影響，所以，《高層建筑混凝土結構技術規程》規定可通過梁水平加腋對梁柱偏心進行處理，但同時對梁水平加腋的尺寸進行了限制。另外，由于梁柱偏心會增加結構的自振周期，所以在軟弱地基上設計框架結構時，更應該避免梁柱偏心，以免對結構帶來更為不利的影響。
關鍵詞：框架結構 梁柱偏心 構件 內力和位移 不利影響
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
中圖分類號： TU74 文獻標識碼：A 文章編號：
一、概述
框架結構由梁(橫向、縱向)和柱剛性連接而成。框架結構體系具有建筑平面布置靈活，建筑空間大等優點，廣泛應用于工業廠房和公共建筑中。
在豎向和水平荷載作用下，框架梁、柱將產生內力(彎矩、剪力和軸力)。在水平荷載作用下，隨高度的增加，框架底部梁柱構件的彎矩和剪力顯著增大，從而導致梁柱的截面尺寸和配筋量增加，給建筑平面布置和空間處理帶來困難，在材料用量和工程造價方面也趨于不合理，因此其在使用層數上受限。
框架結構的抗側剛度較小，在水平荷載作用下，側移大，屬柔性結構。由于框架結構變形大(包括頂點側移和層間相對側移)，從而使得非結構構件(如填充墻、裝飾、設備管道等)破壞十分嚴重。在強震作用下，框架結構由于發生彈塑性變形而產生較大水平位移，因此要求框架結構要具有充分的變形能力，即要具有良好的延性。
采用框架結構時，應當根據層高、跨度、抗震設計烈度等具體條件，確定建筑層數和總高度的使用范圍，在此范圍內，框架結構的承載能力、側向剛度都能滿足設計要求，材料用量及造價也較合理。
由于框架結構抗側剛度較小，構件截面亦較小，強震作用下，頂點側移和層間相對側移較大，容易產生震害，因而主要適用于非抗震區和層數較少的建筑。一般認為，在非地震設防區，框架結構不宜超過15層;抗震設防區，框架結構以不超過10層為宜，最大高度約為30m，當抗震設防烈度為9度時，不宜采用框架結構。
現有框架結構的設計大多是基于梁、柱中心線重合的前提條件下進行的，而在實際工程中，由于建筑立面的需要或使用功能的要求，存在梁軸線與柱軸線不重合的現象，這使得結構在豎向和水平荷載作用下，構件的受力機理和傳力途徑更加復雜。國內外多次大地震中發現，由于梁柱偏心造成框架節點有效寬度減小，承載力下降，節點破壞，最終導致整個框架的倒塌。
我國《高層建筑混凝土結構技術規程》規定：框架梁柱中心線宜重合。當梁柱中心線不能重合時，在計算中應考慮偏心對梁柱節點核心區受力和構造的不利影響，以及梁荷載對柱子的偏心影響。 梁、柱中心線之間的偏心距，9度抗震設計時不應大于柱截面在該方向寬度的1/4;非抗震設計和6～8度抗震設計時不宜大于柱截面在該方向寬度的1/4，如偏心距大于該方向柱寬的1/4時，可采取增設梁的水平加腋等措施。設置水平加腋后，仍需考慮梁柱偏心的不利影響。可見，我國現行的規范將框架結構中的梁柱偏心分為兩種情況：一為偏心距應(宜)小于該方向柱寬的1/4，此時忽略偏心影響;二為大于柱寬的1/4，此時加腋，并仍考慮偏心影響，但規范中未明確設計中如何對偏心的影響加以考慮。
由于規范未明確梁柱偏心會給結構帶來的不利影響及具體的設計方法，使得設計人員在進行設計時無據可依，計算出的內力和位移有時與實際有一定出入，這種出入有時會對結構帶來極為不利的影響，針對這種情況，本文采用有限元分析軟件SAP2000建立模型，對存在梁柱偏心的框架結構的內力及位移進行計算分析，對存在梁柱偏心的框架結構的設計提供了一定的理論依據和建議。
二、模型簡介
本文所選算例為一10層框架結構體系，平面布置如圖1所示，層高3m，柱截面尺寸0.8m
×0.8m，梁截面尺寸0.25m×0.6m，混凝土強度等級C40，板厚度0.1m，混凝土強度等級C25。建筑場地類別為II類場地土，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.2g，設計地震分組為第二組，場地特征周期值為0.4s。由于建筑設計的需要，要求梁面與柱面平齊，使得梁柱偏心為0.275m，大于1/4柱寬。
采用SAP2000結構分析軟件，按實際尺寸建立三維空間模型，如圖2。模型分別按以下
三種情況建立：①不偏心(e=0);②偏心大于1/4柱寬(e=0.275m);③偏心大于1/4柱寬
(e=0.275m)時按圖3所示尺寸對梁水進行平加腋。模型中梁、柱采用三維梁單元，樓板采用殼單元，各樓層采用彈性樓板假定，模型總自由度數約為31500個。
分析中混凝土自重取25kN/m3，考慮到后期使用及裝修過程中會增加一部分附加質量，計算中將這部分質量按2kN/㎡計入樓板荷載中。活荷載取值按《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2001)規定取為2kN/㎡ 。其他非結構構件如框架填充墻、內隔墻等會增加結構的質量，對結構的剛度會有所增加，分析中其影響通過將計算出的周期乘以折減系數0.7予以考慮。
地震作用按振型分解反應譜法和時程分析法兩種方法進行計算，分別考慮x向和y向單向水平地震作用。另外，為進一步分析框架結構中的梁柱偏心對結構產生的扭轉影響，還考慮了雙向水平地震作用(x向：y向=1：0.85)對結構的影響。振型分解反應譜法中振型組合方法采用完全二次型組合法—CQC法，地震反應譜根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2001)相關規定確定，水平地震影響系數最大值為 αmax=0.16。時程分析中的地震波選用1940年美國Elcentro波南北分量前8s，其為Ⅱ類場地常用的地震波，也是國內外動力分析和動力試驗中應用最為廣泛的地震波，分析中其加速度峰值按《建筑抗震設計規范》規定調整為70cm/s2。
三、分析結論
通過對模型的計算、分析，得到如下結論：
⑴框架結構中梁柱偏心會造成結構抗側剛度輕微降低，從而導致結構周期稍有增加，在一定程度上會增加結構的平動和扭轉效應。梁端加腋可適當提高結構的抗側剛度，減小梁柱偏心對結構周期的影響，減弱梁柱偏心對結構增加的平動效應，但對扭轉效應的影響不明顯。以上表現皆主要反映于低階振型。
⑵豎向荷載作用下，梁柱偏心使得角柱的彎矩和剪力下降，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彎矩上升，且上升幅度較大，本文模型中上升幅度為60%左右。梁端加腋會增加梁傳至柱的剪力，反而可能使得偏心引起的結構的彎矩和剪力上升趨勢增強，對結構帶來不利影響。
⑶水平地震作用下，由于梁傳至柱的剪力增大，從而使得梁柱偏心方向與水平地震力方向垂直的柱的彎矩和剪力的變化趨勢越加明顯，并使得結構的扭轉效應增強。梁水平加腋能對梁柱偏心產生的扭轉效應稍加改善，但改善效果并不明顯。
⑷梁柱偏心對梁受力的影響相對于柱來說較小，梁會隨柱彎矩和剪力的變化而產生相應的變化。梁水平加腋會使得自重產生的彎矩和剪力有所上升，對梁的受力帶來不利影響。
⑸地震作用時，梁柱偏心會使得結構的樓層位移稍有上升，梁水平加腋會使得結構的樓層位移有所下降，但變化幅度較小，如本文模型中變化僅為2%左右，基本上可忽略其影響。梁柱偏心會延遲結構的內力和位移到達最大值的時間，但其最大值會有所增加，梁水平加腋會使得結構到達最大值的時間提前，但同時會使結構的地震響應增大，從而使其最大值增大。
由以上幾點結論可看出，框架結構中梁柱偏心確實會對結構構件尤其是柱的受力帶來不利影響，所以《高層建筑混凝土結構技術規程》規定框架梁、柱中心線宜重合，當梁柱中心線不能重合時，計算中應考慮偏心對結構的影響。具體來說，設計中建立模型對結構進行分析時，應對梁柱偏心進行設置后再進行分析，目前大多數結構分析軟件都具有設置線偏心的功能，所以建模時能很容易的實現梁柱偏心的設置。梁端加腋能減小梁柱偏心距，并已為眾多試驗所證明可改善梁柱節點的受力狀況，但如果其設置的尺寸不合適，反而會給結構帶來不利影響，所以，《高層建筑混凝土結構技術規程》規定可通過梁水平加腋對梁柱偏心進行處理，但同時對梁水平加腋的尺寸進行了限制，設計中對梁進行水平加腋時，應嚴格按照規范規定進行。另外，由于梁柱偏心會增加結構的自振周期，所以在軟弱地基上設計框架結構時，應盡量避免梁柱偏心，以免對結構帶來更為不利的影響。
參考文獻
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