寬扁梁的應(yīng)用研究

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簡介： 由于受建筑物層高的限制，為了改善室內(nèi)使用空間，近期內(nèi)寬扁梁的設(shè)計(jì)得到了廣泛的采用。筆者在前段時(shí)期的天健世紀(jì)花園小學(xué)風(fēng)雨操場的設(shè)計(jì)中采用了寬扁梁，對寬扁梁的應(yīng)用有了進(jìn)一步的體會。
關(guān)鍵字：寬扁梁

工程簡介：

　　 天健世紀(jì)花園子項(xiàng)小學(xué)風(fēng)雨操場為三層框架結(jié)構(gòu)體系，局部大空間，基礎(chǔ)采用鋼筋砼獨(dú)立柱基。由于建筑立面要求輕巧簡潔，三層（頂層）局部邊跨限制梁高，僅能為500高。頂層采用密肋梁結(jié)構(gòu)體系，11-A、11-5軸邊跨梁為寬扁梁，梁斷面為1000x500、600x500，采用上翻梁，平面布置如下圖一所示。

　　寬扁梁的設(shè)計(jì)：

　　對于寬扁梁的設(shè)計(jì)，2001版抗震規(guī)范僅對其斷面有規(guī)定，并沒有詳述的細(xì)則。參考國內(nèi)外的文摘和論文，國外的學(xué)者認(rèn)為：節(jié)點(diǎn)區(qū)的所有力平衡是關(guān)鍵，寬梁的部分筋若在柱外側(cè)通過時(shí)，在斜壓桿的上下端就沒有能起平衡作用的豎向壓力，在柱外的那部分梁可能被剪壞。他們據(jù)此提出兩種解決方法，1、將梁的上部鋼筋全部配置在柱寬范圍內(nèi)；2、配置豎向筋以承擔(dān)壓桿推力產(chǎn)生的豎向分力。

　　參考國內(nèi)的文獻(xiàn)，前種方法僅適用于梁比柱稍寬一點(diǎn)的情況，否則，柱內(nèi)鋼筋將密得無法施工，若以犧牲梁的有效高度而設(shè)置多排筋，顯然也不合理，但我們要求有70%左右的鋼筋通過柱子。對第二種方法，國內(nèi)有不少的專門論述。有關(guān)實(shí)驗(yàn)指出，寬扁梁在靜載和低周反復(fù)荷載作用下，破壞區(qū)域基本在節(jié)點(diǎn)外核心區(qū)。在外核心區(qū)設(shè)置箍筋可以起到保護(hù)內(nèi)核，轉(zhuǎn)移塑性鉸的作用，而且有必要設(shè)穿過柱內(nèi)的垂直鋼筋，以增強(qiáng)外核心區(qū)的強(qiáng)度。綜上所述，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)外核心區(qū)抗扭是寬扁梁的核心所在。

　　框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)水平抗剪箍筋配置：

　　  寬扁梁框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)水平抗剪箍筋除在內(nèi)核心區(qū)柱內(nèi)按現(xiàn)行混凝土結(jié)

　　構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求設(shè)置外，還應(yīng)在外核心區(qū)周邊設(shè)置，其構(gòu)造要求為：

　　  一級抗震等級   ≥φ12@100

　　  二、三級抗震等級  ≥φ10@100

　　  非抗震等級  ≥φ10@200

　　雙向?qū)挶饬汗?jié)點(diǎn)，可利用寬扁梁腰筋雙向貫通構(gòu)成。單向?qū)挶饬汗?jié)點(diǎn)，可利用寬扁梁腰筋雙向貫通附加另向水平拉結(jié)筋構(gòu)成。

　　框架節(jié)點(diǎn)外核區(qū)抗扭縱筋配置：

　　雙向?qū)挶饬毫焊呦嗟葧r(shí)，宜通過按計(jì)算要求增加框架梁縱向鋼筋構(gòu)成；雙向?qū)挶饬毫焊卟坏葧r(shí)，可在矮寬扁梁方向外核心區(qū)底部加設(shè)朝上開口箍筋構(gòu)成底部抗扭縱筋；單向?qū)挶饬簳r(shí)，可通過設(shè)置節(jié)點(diǎn)核心區(qū)附加封閉箍筋構(gòu)成（形式上相當(dāng)于寬扁梁箍筋延伸進(jìn)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)）。

　　當(dāng)采用附加封閉箍筋形式時(shí)，其構(gòu)造要求為：

　　  一級抗震等級   ≥φ12@100

　　  二、三級抗震等級  ≥φ10@100

　　  非抗震等級  ≥φ8@100

　　框架節(jié)點(diǎn)外核心區(qū)周邊抗扭封閉箍筋配置：

　　按計(jì)算要求通過附加外核心區(qū)角部垂直拉筋與節(jié)點(diǎn)外核心區(qū)寬扁梁縱向鋼筋焊接或搭接構(gòu)成。

　　附加垂直拉筋的構(gòu)造要求為：

　　  一級抗震等級   ≥φ12@100

　　  二、三級抗震等級  ≥φ10@100

　　  非抗震等級  ≥φ8@100

　　框架節(jié)點(diǎn)外核心區(qū)垂直抗剪箍筋配置：

　　寬扁梁框架節(jié)點(diǎn)外核心區(qū)內(nèi)部還應(yīng)設(shè)置垂直抗剪拉筋作抗剪箍筋，勾住進(jìn)入外核心區(qū)的寬扁梁縱向鋼筋并與之綁扎，其構(gòu)造要求為：

　　  一級抗震等級   ≥φ10@100

　　  二、三級抗震等級  ≥φ8@100

　　  非抗震等級  ≥φ8@100

　　本工程在用SATWE程序計(jì)算過程中并未發(fā)現(xiàn)寬扁梁計(jì)算結(jié)果的異常，可見程序并未考慮這點(diǎn)，故應(yīng)復(fù)核。柱寬500，梁高500，梁寬分別為1000、600，經(jīng)驗(yàn)算滿足承載力及構(gòu)造要求。僅以圖五為例驗(yàn)算11-3軸框架節(jié)點(diǎn)抗剪承載力：

　　寬扁梁框架節(jié)點(diǎn)水平剪力設(shè)計(jì)值按現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行，查SATWE計(jì)算結(jié)果：V=419KN   N=466.09KN

　　寬扁梁框架節(jié)點(diǎn)水平抗剪承載力設(shè)計(jì)值：

　　 V_J=[0.1η_J(1+N/f_cb_ch_c)f_cb_Jh_J+f_yvA_sv(h_bo-a’_s)/S+0.07f_cb_oh_J]/r_RE

　　   且V_J≤(0.3η_Jf_cb_Jh_J)/ r_RE

　　r_RE：考慮地震作用組合的抗剪承載力調(diào)整系數(shù)

　　η_J：寬扁梁對節(jié)點(diǎn)的約束影響系數(shù)

　　N： 考慮地震作用組合的節(jié)點(diǎn)上柱軸向壓力設(shè)計(jì)值

　　  當(dāng)N>0.5 f_cb_ch_c時(shí),取N=0.5 f_cb_ch_c

　　b_J ：框架節(jié)點(diǎn)內(nèi)核心區(qū)水平抗剪截面有效寬度

　　h_J ：框架節(jié)點(diǎn)水平抗剪截面高度,一般等于節(jié)點(diǎn)外核心區(qū)寬度

　　a’_s ：寬扁梁受壓區(qū)縱筋合力點(diǎn)至受壓區(qū)邊緣的距離

　　f_yv ：框架節(jié)點(diǎn)內(nèi)水平箍筋抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度

　　A_sv：框架節(jié)點(diǎn)內(nèi)同一水平截面內(nèi)與水平剪力同向的水平箍筋各  

　　 肢的截面積之和

　　S：框架節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)沿高度方向的水平箍筋間距

　　b_b：寬扁梁截面寬度

　　h_b：寬扁梁截面高度

　　h_b0：寬扁梁截面高度

　　b₀：框架節(jié)點(diǎn)外核心區(qū)水平抗剪截面有效寬度

　　且V_J ≤(0.3η_Jf_cb_Jh_J)/ r_RE=(0.3x1.83x12.5x750x500)/0.85=3027.6KN

　　滿足設(shè)計(jì)要求。

　　此工程中的扁寬梁為框架邊梁，除必須滿足配置協(xié)調(diào)抗扭需要的抗扭鋼筋外，尚需考慮由另一方向扁梁傳至框架邊梁的附加剪力，在該范圍內(nèi)應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，圖二—圖五為本工程的幾個(gè)典型節(jié)點(diǎn)。

　　設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題：

　　 在對寬扁梁的裂縫進(jìn)行大量的計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，一般由強(qiáng)度控制的梁，如果配筋率較大時(shí)，則裂縫寬度難以滿足，須加大配筋。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)配筋率達(dá)到2%左右時(shí)，就應(yīng)注意裂縫問題。

　　 驗(yàn)算寬扁梁的撓度時(shí)，在支撐情況和跨度一定時(shí)，其剛度就起著決定性作用，短期剛度公式如下：

　　 Bs=EsAsH₀²/[1.15Ψ+0.2+6α_Eρ/(1+3.5γ’_f)]

　　 翼緣作用（γ’_f)經(jīng)常是我們?nèi)菀缀雎缘?，?shí)際上其影響很大。另外，寬扁梁不宜布置雙排筋。H₀的增多或減少都較明顯的影響結(jié)果。規(guī)范規(guī)定：“受彎構(gòu)件的撓度應(yīng)按荷載的短期效應(yīng)組合并考慮荷載長期效應(yīng)組合影響的長期剛度B_L進(jìn)行計(jì)算。”在長期剛度公式中：B_L=M_SB_S/[M_L（θ-1）+M_S]。恒載所占比例越大，則B_L相對就越小，撓度就越大。所以對屋頂層恒荷載相對較大而活荷載很小時(shí)，更應(yīng)驗(yàn)算梁板撓度。

　　在計(jì)算以寬扁梁為支座的板時(shí)，當(dāng)按彈性計(jì)算時(shí)，對多跨連續(xù)板計(jì)算跨度用如下公式：

　　  邊跨： L=L₀+a/2+b/2

　　   L≤L₀+h/2+b/2

　　  中間跨：  L=L₀+b

　　  L≤1.1L₀

　　 實(shí)際上，此公式對寬扁梁結(jié)構(gòu)是不合理的。研究表明，與寬扁梁重合部分的板，其作用機(jī)理已與純板完全不同，與梁共同作用并相互協(xié)調(diào)?？紤]板的內(nèi)力塑性重分布，一般對四周與梁整體連接的板中間跨的跨中截面，計(jì)算彎距可減少20%。實(shí)際上連續(xù)板跨中由于正彎距作用截面下部開裂，支座由于負(fù)彎距作用截面上部開裂，使得板的實(shí)際軸線成拱形，拱形支座位于梁邊附近。根據(jù)以上理論依據(jù)，我們對板的計(jì)算跨度取值為L=L₀+h（h為板厚）。

　　 在計(jì)算板配筋時(shí)，一般構(gòu)造手冊都規(guī)定雙向板負(fù)筋的長度取值為L₁/4（從軸線計(jì)），對一般的梁板體系，負(fù)彎距基本上能被包絡(luò)住。但對寬扁梁，如果還按這種取值，顯然欠合理。我們認(rèn)為合理的取值為L₀/4+b/2（L₀為板凈跨）。

　　參考規(guī)范及文獻(xiàn)

　　1、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ10-89）

　　2、傅學(xué)怡：寬扁梁設(shè)計(jì)規(guī)程（1998）

　　3、練賢榮等：寬扁梁——大跨度板的應(yīng)用體會（蛇口招商購物中心設(shè)計(jì)事例）

　　4、A.H.尼爾遜，G.溫特爾：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（過鎮(zhèn)海等譯）

　　5、周起敬等：混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊（1994）