豎向開孔梁的初步探討

李宏偉，董 猛

商丘市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南商丘 476000

豎向開孔梁的初步探討

李宏偉，董 猛

商丘市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南商丘 476000

隨著建筑業(yè)的高速發(fā)展，人們對建筑功能的要求越來越高，將大量建筑設(shè)備應(yīng)用到工程中，因而產(chǎn)生了豎向開孔梁。本文主要介紹豎向開孔梁的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究現(xiàn)狀，旨在為進(jìn)一步深入研究帶來啟發(fā)。

豎向開孔梁；現(xiàn)狀；應(yīng)用；研究

隨著21世紀(jì)的到來，人們對建筑結(jié)構(gòu)功能的不斷提高，由此產(chǎn)生的影響是結(jié)構(gòu)功能發(fā)生突破性變化。與之相適應(yīng)的各種建筑輔助設(shè)施如室內(nèi)給水系統(tǒng)、室內(nèi)排水系統(tǒng)、室內(nèi)采暖系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)等等，它們都是從建筑結(jié)構(gòu)的梁下（或板中）穿過，在梁下占據(jù)的高度一般約占層高的1/5～1/4，占用了大量建筑空間，并且也增加了建筑的造價和日常維護(hù)費(fèi)用。這樣的結(jié)果就是結(jié)構(gòu)使用功能的滿足與工程造價的提高等方面的矛盾越來越突出，在高層建筑中尤其如此，同時也極大的限制了建筑設(shè)備工程的發(fā)展。所有的這些原因促使了管線暗裝技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，就是將建筑設(shè)備的管線布置在墻梁等建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件中，采用鋼筋混凝土開孔梁，將管線空間與結(jié)構(gòu)空間合二為一，以此減小建筑設(shè)備及其管線所占用的空間。不但為解決這些矛盾提供一個有效的途徑，也有助于改善建筑的視覺效果；但同時，也對建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能和結(jié)構(gòu)的空間和平面布置有很大的影響。

在建筑中，管道一般有兩種處理方式，一種是將管道安裝在預(yù)設(shè)的管道井內(nèi)，以滿足室內(nèi)美觀的要求。另外一種方式是將管道埋設(shè)在墻、梁內(nèi)，這些管線埋設(shè)在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部需要占用相應(yīng)的空間，從而影響建筑結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，這樣就會不可避免的出現(xiàn)在梁中開洞的問題。管線在承重梁內(nèi)穿管敷設(shè)的方法有兩種，一是在梁中和軸附近垂直于梁長度方向留設(shè)水平管道，將設(shè)備高度與結(jié)構(gòu)高的合二為一，可以大幅的降低層高。二是在梁的垂直方向留設(shè)垂直管道，這樣既增加了房屋的使用面積，又改善了房屋的視覺效果。

無論哪一種開孔方法，均會削弱構(gòu)件的截面，對構(gòu)件的承載力、裂縫開展和變形均會有很大的影響，在洞口較大時，開洞梁的最大裂縫寬度明顯增大。所以，對于開洞梁，除了按照一般梁驗算最大彎矩以及剪力處的最大裂縫寬度外，還需要驗算開洞處的裂縫寬度。

對于第一種開孔方式，在設(shè)計中已有相關(guān)的要求，并大量應(yīng)用于實際工程中。但對于第二種開孔方法，在現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2002）中并未考慮豎向開洞對結(jié)構(gòu)的影響，也未給出相應(yīng)的計算方法和要求。

1 豎向開孔梁的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在問題

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

在工程現(xiàn)場的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)在實際工程的設(shè)計中，考慮了水平開孔梁對承載力的影響，當(dāng)孔洞尺寸超過規(guī)定時，在孔洞部位增加附加鋼筋。但在現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2002）中并未考慮豎向開洞對結(jié)構(gòu)的影響，也未給出相應(yīng)的計算方法和要求，即：鋼筋混凝土梁是按照沒有開孔的狀態(tài)設(shè)計的。而管線安裝要從梁中穿越，有時會穿越很多管線，嚴(yán)重削弱了鋼筋混凝土梁的有效截面積，對結(jié)構(gòu)承載力造成了影響。

1.2 實際應(yīng)用中存在的問題

1.2 .1 試驗研究未開展

近年來，雖然豎向開孔梁在實際工程中應(yīng)用越來越多，但對其受力、傳力機(jī)理的研究不夠深入，力學(xué)概念模糊不清。

1.2 .2 缺乏計算理論依據(jù)

由于受理論研究及設(shè)計軟件的限制，目前，在設(shè)計時只是按照實體梁來設(shè)計，并未考慮豎向開孔時對結(jié)構(gòu)的影響，給工程結(jié)構(gòu)的安全帶來了嚴(yán)重的隱患。

1.2 .3 設(shè)計、施工的隨意性大

在實際工程中，因規(guī)范沒有對豎向開孔梁的設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)工程師就不再考慮孔洞的影響，安裝專業(yè)工程師在設(shè)計管線時，對于豎向管線位置也沒有明確尺寸定位，大多數(shù)管線位置是現(xiàn)場確定，沒有考慮結(jié)構(gòu)的尺寸限制，隨意性較大，影響到結(jié)構(gòu)安全。

2 豎向開孔梁的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，在國內(nèi)、外的有關(guān)文獻(xiàn)中還未檢索到關(guān)于梁的豎向開孔問題的研究資料，在所有的研究中也僅限于對在梁的腹部開設(shè)水平孔洞的基本理論研究。主要的研究內(nèi)容綜述如下：

隨著人們對建筑結(jié)構(gòu)的功能要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)中各種輔助設(shè)施（如通風(fēng)、供熱、消防、上下水管等）變得越來越龐大，若把這些設(shè)備管道從梁底穿越，其后果勢必擠占建筑空間，間接地增加了建筑高度。

為了解決這個缺點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者提出一種方法，即采用鋼筋混凝土開孔梁，總體上講開孔梁與實腹梁相比有共性，也有其特性，在離開孔洞位置稍遠(yuǎn)的實腹截面其受力特點(diǎn)與實腹梁相同，而開孔處包含了整梁的應(yīng)力與開孔產(chǎn)生的次應(yīng)力的疊加，孔角附近有一定程度的應(yīng)力集中，這就是其特性，在熟悉共性的基礎(chǔ)上，處理好特殊性，對開孔部位進(jìn)行合理設(shè)計，滿足承載力與變形要求，我們就可以安全地使用開孔梁這一結(jié)構(gòu)形式。目前，我國尚無鋼筋混凝土開孔梁的設(shè)計方法，國外對開矩形孔梁的研究較早，從文獻(xiàn)綜述來看，眾多學(xué)者認(rèn)同用平行弦空腹桁架模式，孔洞上肢桿為偏壓桿，孔洞下肢桿為偏拉桿，截面剪力由上、下肢桿承擔(dān)。Lorenstren對四根開有矩形孔的T形梁進(jìn)行試驗，雖然試驗結(jié)果表明拉桿（下肢桿）確實承擔(dān)部分剪力，但為了簡化分析，認(rèn)為拉桿由于彎曲裂縫的產(chǎn)生而不承擔(dān)剪力，同時認(rèn)為孔側(cè)附加箍筋應(yīng)盡量靠近孔洞。

此后，加拿大的Nasser Karim W[等人對開有大孔的鋼筋混凝土簡支梁在集中荷載作用下的試驗進(jìn)行觀察和分析，由于受當(dāng)時總體試驗條件、理論研究的限制，作者根據(jù)其實驗的九根開矩形孔梁與一根實腹梁進(jìn)行對比，提出了一些假設(shè)，認(rèn)為上下肢桿在桿中點(diǎn)存在反彎點(diǎn)，上下肢桿承擔(dān)的剪力與其截面面積成正比。Barnet George B.等人對18根大尺寸的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝T形梁進(jìn)行試驗，試件的變化參數(shù)有：孔洞的尺寸、孔洞沿梁跨方向的位置、抗剪腹筋的類型。試驗結(jié)果表明，高剪力區(qū)壓桿（下肢桿）的反彎點(diǎn)位置在桿中附近，上肢桿與下肢桿承擔(dān)的剪力與其抗彎剛度成正比。試驗還發(fā)現(xiàn)，裂縫對肢桿剪力的分配有顯著的影響，而對軸力的影響不明顯，孔側(cè)必須配置足夠的抗剪腹筋。該作者根據(jù)試驗結(jié)果，提出了確定內(nèi)力的方法，通過合理的設(shè)計，可以在梁腹設(shè)置孔洞而不會削弱梁的強(qiáng)度，降低適用性的要求。

國內(nèi)對于鋼筋混凝土開孔梁的研究起步較晚，從1986年起鄭州工學(xué)院等單位對開洞深梁進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗研究，對開洞深梁的受力性能破壞形態(tài)、受彎和受剪承載力以及主要影響因素進(jìn)行較深入的分析，并提出了開洞深梁受彎、受剪承載力計算和正截面、斜截面抗裂驗算的公式以及相應(yīng)的構(gòu)造措施。90年代以來華南理工大學(xué)在吸收國內(nèi)外的研究成果上，通過模型梁試驗進(jìn)行研究，對開孔梁的受力性能有了初步的了解，提出了建立在其試驗結(jié)果上的設(shè)計方法。2000年以來，對鋼筋混土和預(yù)應(yīng)力鋼鋼筋混凝土簡直梁上開設(shè)圓孔的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，主要有下幾方面內(nèi)容：1）進(jìn)行腹部開圓孔梁在孔邊加配環(huán)筋形式下的試驗研究，并從變化環(huán)筋配筋、變化斜筋配筋、變化孔洞尺寸等幾方面對該種配筋型式進(jìn)行分析研究；2）進(jìn)行了腹部開小孔徑圓孔梁、開設(shè)雙圓孔梁的試驗研究，獲取梁有關(guān)部位裂縫產(chǎn)生與開展、應(yīng)變部分、撓度變化及承載力大小的數(shù)據(jù)；3）在各實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對各種型式的開孔梁受力機(jī)制與基本力學(xué)性能進(jìn)行了初步的探討。同時還從實際工程的角度，對各種型式開孔梁的設(shè)計提出了可行的建議方案。

劉愛華等在混凝土（PC/RC）開孔梁試驗的基礎(chǔ)上，討論了開孔對剛度、開裂荷載、裂縫分布等進(jìn)行了探討，并給出了開孔梁強(qiáng)度、變形等方面的設(shè)計計算建議。

東南大學(xué)的呂志濤、江蘇大學(xué)的劉榮桂，采用實驗研究與理論分析相結(jié)合的方法，提出了開孔梁強(qiáng)度、剛度等方面的計算公式，并研究混凝土開孔梁裂縫寬度的性能與驗算方法。

南通工學(xué)院的劉紅梅等通過試驗研究和理論分析，分析了開孔梁的受力特性和裂縫發(fā)展，提出了混凝土開孔梁可行的補(bǔ)強(qiáng)鋼筋配筋方式。

綜上所述，國內(nèi)對開孔梁的研究大多數(shù)僅限于水平開設(shè)方孔或圓孔梁的承載力、抗裂性能和裂縫發(fā)展等方面，研究了孔洞形狀、尺寸、鋼筋配筋形式對開孔梁的受力性能的影響，探討了梁的受力性能、內(nèi)力分析和強(qiáng)度計算方法及配筋構(gòu)造，分析了開孔梁的受力特性和變形性能等，沒有涉及到在混凝土梁上豎向開洞的問題。

[1]劉紅梅，金江，王海霞.鋼筋混凝土開孔梁試件非線形有 限元分析[J].工業(yè)建筑，2005，35（增刊）：117-119.

[2]劉愛華，劉榮貴.混凝土開孔梁試驗研究[J].江蘇理工大 學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2000，21(3)：10-15.

[3]劉榮桂，呂志濤.混凝土(RC/PC)開孔梁實驗研究與理論分 析[J].土木工程學(xué)報，2004,37(7)：29-34.

[4]劉榮桂，呂志濤.混凝土(RC/PC)開孔梁抗裂性能與裂縫寬 度驗算[J].建筑結(jié)構(gòu)，2001，31(1)：43-45.

[5]蔡健，陳眼云，李靜.開圓孔或方孔的鋼筋混凝土梁承載 力近似計算[J].華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1995，23(1)： 44-53.

TU73

A

1674-6708（2010）28-0052-02