宽扁梁的应用研究

简介： 由于受建筑物层高的限制，为了改善室内使用空间，近期内宽扁梁的设计得到了广泛的采用。笔者在前段时期的天健世纪花园小学风雨操场的设计中采用了宽扁梁，对宽扁梁的应用有了进一步的体会。
关键字：宽扁梁

工程简介：

　　 天健世纪花园子项小学风雨操场为三层框架结构体系，局部大空间，基础采用钢筋砼独立柱基。由于建筑立面要求轻巧简洁，三层（顶层）局部边跨限制梁高，仅能为500高。顶层采用密肋梁结构体系，11-A、11-5轴边跨梁为宽扁梁，梁断面为1000x500、600x500，采用上翻梁，平面布置如下图一所示。

　　宽扁梁的设计：

　　对于宽扁梁的设计，2001版抗震规范仅对其断面有规定，并没有详述的细则。参考国内外的文摘和论文，国外的学者认为：节点区的所有力平衡是关键，宽梁的部分筋若在柱外侧通过时，在斜压杆的上下端就没有能起平衡作用的竖向压力，在柱外的那部分梁可能被剪坏。他们据此提出两种解决方法，1、将梁的上部钢筋全部配置在柱宽范围内；2、配置竖向筋以承担压杆推力产生的竖向分力。

　　参考国内的文献，前种方法仅适用于梁比柱稍宽一点的情况，否则，柱内钢筋将密得无法施工，若以牺牲梁的有效高度而设置多排筋，显然也不合理，但我们要求有70%左右的钢筋通过柱子。对第二种方法，国内有不少的专门论述。有关实验指出，宽扁梁在静载和低周反复荷载作用下，破坏区域基本在节点外核心区。在外核心区设置箍筋可以起到保护内核，转移塑性铰的作用，而且有必要设穿过柱内的垂直钢筋，以增强外核心区的强度。综上所述，节点设计中，节点外核心区抗扭是宽扁梁的核心所在。

　　框架节点核心区水平抗剪箍筋配置：

　　  宽扁梁框架节点核心区水平抗剪箍筋除在内核心区柱内按现行混凝土结

　　构设计规范要求设置外，还应在外核心区周边设置，其构造要求为：

　　  一级抗震等级   ≥φ12@100

　　  二、三级抗震等级  ≥φ10@100

　　  非抗震等级  ≥φ10@200

　　双向宽扁梁节点，可利用宽扁梁腰筋双向贯通构成。单向宽扁梁节点，可利用宽扁梁腰筋双向贯通附加另向水平拉结筋构成。

　　框架节点外核区抗扭纵筋配置：

　　双向宽扁梁梁高相等时，宜通过按计算要求增加框架梁纵向钢筋构成；双向宽扁梁梁高不等时，可在矮宽扁梁方向外核心区底部加设朝上开口箍筋构成底部抗扭纵筋；单向宽扁梁时，可通过设置节点核心区附加封闭箍筋构成（形式上相当于宽扁梁箍筋延伸进节点核心区）。

　　当采用附加封闭箍筋形式时，其构造要求为：

　　  一级抗震等级   ≥φ12@100

　　  二、三级抗震等级  ≥φ10@100

　　  非抗震等级  ≥φ8@100

　　框架节点外核心区周边抗扭封闭箍筋配置：

　　按计算要求通过附加外核心区角部垂直拉筋与节点外核心区宽扁梁纵向钢筋焊接或搭接构成。

　　附加垂直拉筋的构造要求为：

　　  一级抗震等级   ≥φ12@100

　　  二、三级抗震等级  ≥φ10@100

　　  非抗震等级  ≥φ8@100

　　框架节点外核心区垂直抗剪箍筋配置：

　　宽扁梁框架节点外核心区内部还应设置垂直抗剪拉筋作抗剪箍筋，勾住进入外核心区的宽扁梁纵向钢筋并与之绑扎，其构造要求为：

　　  一级抗震等级   ≥φ10@100

　　  二、三级抗震等级  ≥φ8@100

　　  非抗震等级  ≥φ8@100

　　本工程在用SATWE程序计算过程中并未发现宽扁梁计算结果的异常，可见程序并未考虑这点，故应复核。柱宽500，梁高500，梁宽分别为1000、600，经验算满足承载力及构造要求。仅以图五为例验算11-3轴框架节点抗剪承载力：

　　宽扁梁框架节点水平剪力设计值按现行混凝土结构设计规范执行，查SATWE计算结果：V=419KN   N=466.09KN

　　宽扁梁框架节点水平抗剪承载力设计值：

　　 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：考虑地震作用组合的抗剪承载力调整系数

　　η_J：宽扁梁对节点的约束影响系数

　　N： 考虑地震作用组合的节点上柱轴向压力设计值

　　  当N>0.5 f_cb_ch_c时,取N=0.5 f_cb_ch_c

　　b_J ：框架节点内核心区水平抗剪截面有效宽度

　　h_J ：框架节点水平抗剪截面高度,一般等于节点外核心区宽度

　　a’_s ：宽扁梁受压区纵筋合力点至受压区边缘的距离

　　f_yv ：框架节点内水平箍筋抗拉设计强度

　　A_sv：框架节点内同一水平截面内与水平剪力同向的水平箍筋各  

　　 肢的截面积之和

　　S：框架节点区内沿高度方向的水平箍筋间距

　　b_b：宽扁梁截面宽度

　　h_b：宽扁梁截面高度

　　h_b0：宽扁梁截面高度

　　b₀：框架节点外核心区水平抗剪截面有效宽度

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

　　满足设计要求。

　　此工程中的扁宽梁为框架边梁，除必须满足配置协调抗扭需要的抗扭钢筋外，尚需考虑由另一方向扁梁传至框架边梁的附加剪力，在该范围内应适当加强，图二—图五为本工程的几个典型节点。

　　设计中应注意的几个问题：

　　 在对宽扁梁的裂缝进行大量的计算后发现，一般由强度控制的梁，如果配筋率较大时，则裂缝宽度难以满足，须加大配筋。根据经验，当配筋率达到2%左右时，就应注意裂缝问题。

　　 验算宽扁梁的挠度时，在支撑情况和跨度一定时，其刚度就起着决定性作用，短期刚度公式如下：

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

　　 翼缘作用（γ’_f)经常是我们容易忽略的，实际上其影响很大。另外，宽扁梁不宜布置双排筋。H₀的增多或减少都较明显的影响结果。规范规定：“受弯构件的挠度应按荷载的短期效应组合并考虑荷载长期效应组合影响的长期刚度B_L进行计算。”在长期刚度公式中：B_L=M_SB_S/[M_L（θ-1）+M_S]。恒载所占比例越大，则B_L相对就越小，挠度就越大。所以对屋顶层恒荷载相对较大而活荷载很小时，更应验算梁板挠度。

　　在计算以宽扁梁为支座的板时，当按弹性计算时，对多跨连续板计算跨度用如下公式：

　　  边跨： L=L₀+a/2+b/2

　　   L≤L₀+h/2+b/2

　　  中间跨：  L=L₀+b

　　  L≤1.1L₀

　　 实际上，此公式对宽扁梁结构是不合理的。研究表明，与宽扁梁重合部分的板，其作用机理已与纯板完全不同，与梁共同作用并相互协调。考虑板的内力塑性重分布，一般对四周与梁整体连接的板中间跨的跨中截面，计算弯距可减少20%。实际上连续板跨中由于正弯距作用截面下部开裂，支座由于负弯距作用截面上部开裂，使得板的实际轴线成拱形，拱形支座位于梁边附近。根据以上理论依据，我们对板的计算跨度取值为L=L₀+h（h为板厚）。

　　 在计算板配筋时，一般构造手册都规定双向板负筋的长度取值为L₁/4（从轴线计），对一般的梁板体系，负弯距基本上能被包络住。但对宽扁梁，如果还按这种取值，显然欠合理。我们认为合理的取值为L₀/4+b/2（L₀为板净跨）。

　　参考规范及文献

　　1、混凝土结构设计规范（GBJ10-89）

　　2、傅学怡：宽扁梁设计规程（1998）

　　3、练贤荣等：宽扁梁——大跨度板的应用体会（蛇口招商购物中心设计事例）

　　4、A.H.尼尔逊，G.温特尔：混凝土结构设计（过镇海等译）

　　5、周起敬等：混凝土结构构造手册（1994）