高層建筑寬扁梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討

李嘉

【摘 要】本文以高層建筑寬扁梁結(jié)構(gòu)作為研究對象，從基本概念出發(fā)，系統(tǒng)闡述了寬扁梁與普通混凝土梁框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計異同，最后對高層建筑寬扁梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)要點進行了總結(jié)建議。

【關(guān)鍵詞】 寬扁梁 結(jié)構(gòu)設(shè)計 探討

前言

隨著社會經(jīng)濟的日益進步和人們生活水平的不管提高，越來越多的人對各種建筑的使用要求也日益提高。從結(jié)構(gòu)角度上講，一般來說，在各項計算指標(biāo)滿足規(guī)范要求的前提下，適當(dāng)減小框架梁的高度不但有利于提高房屋的凈高，提升建筑品質(zhì)，而且還有利于強柱弱梁，強剪弱彎設(shè)計目標(biāo)的實現(xiàn)，有利于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此，采用科學(xué)合理的設(shè)計方法，不斷完善高層建筑寬扁梁結(jié)構(gòu)設(shè)計就成為當(dāng)前一項十分有意義的課題。

一、高層建筑寬扁梁布局的概述

在現(xiàn)代高層建筑中，結(jié)構(gòu)總高度受到諸多條件的限制，運用鋼筋混凝土寬扁梁結(jié)構(gòu)能夠有效地降低層高，從而降低建筑物的總高度，減小由風(fēng)作用和地震作用，降低抗震措施要求，節(jié)約工程投資并降低施工難度。因此在高層建筑中運用寬扁梁結(jié)構(gòu)形式得到工程界的日益重視。由于寬扁梁截面的寬高比較大，梁寬大于柱寬，寬扁梁布局在風(fēng)荷載和地震作用下，其梁柱節(jié)點的受力機理較為復(fù)雜，當(dāng)前尚缺少這類結(jié)構(gòu)形式相對系統(tǒng)有效的設(shè)計方法。

二、寬扁梁與一般梁框架布局的比較

1.基底剪力

達到同一側(cè)移時寬扁梁框架布局所需的水平力小于一般梁布局，且寬扁梁框架布局模型的基底剪力小于一般梁框架布局，可見其剛度小于一般梁布局，即寬扁梁布局柔于一般梁布局。

2.梁柱鋼筋應(yīng)力

寬扁梁比一般梁布局更能實現(xiàn)強柱弱梁的破壞形式，因此對于采用強柱弱梁的原則進行結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化時，若一般梁框架布置符合該原則時，則相同剛度下寬扁梁布局亦能符合此原則，即一般梁布局的優(yōu)化方法適用于寬扁梁布局。

3.裂縫的發(fā)生

首層結(jié)構(gòu)的混凝土受拉裂縫寬度比頂層大，由底部剪力法可算出基底剪力為其上部各樓層剪力之和，因此底層出現(xiàn)的剪切破壞最大，頂層損害最小。對一根梁而言，負彎矩端的裂縫位于上方與樓板相連處，且與梁相連的樓板處也會出現(xiàn)開裂，而正彎矩端的裂縫則位于梁截面的下方。

4.樓板鋼筋應(yīng)力

當(dāng)樓板寬度到達一定數(shù)值后，各跨板筋應(yīng)力趨于陡峭，該寬度范圍之外的板鋼筋可視作不出現(xiàn)負彎矩，將該處的樓板寬度值視作板面鋼筋應(yīng)力曲線的過渡點，該數(shù)值為確定寬度提供了一個重要依據(jù)。

5.適用性

寬扁梁結(jié)構(gòu)在某些特定建筑中具有良好的適用性，主要因為寬扁梁的受力特性在很多時候和一般框架梁類似。也就是說，寬扁梁在實際運用中的布置規(guī)則基本和普通框架梁是相同的。但在具體工程中寬扁梁受力特點和普通框架梁又有很多的不同?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）第6.3.2條規(guī)定：采用扁梁的樓、屋蓋應(yīng)現(xiàn)澆，梁中心宜與柱中線重合，扁梁應(yīng)雙向布置。扁梁不宜用于一級框架結(jié)構(gòu)。注意限制在一級框架結(jié)構(gòu)中的使用，對其他抗震等級的框架結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)體系，如框架-抗震墻結(jié)構(gòu)，框架-核心筒結(jié)構(gòu)，板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)中的框架未提及限制要求，有條件應(yīng)考慮規(guī)范的本條或適當(dāng)控制扁梁截面高度使其不致于“在扁”。

三、高層建筑寬扁梁設(shè)計的一般要求

1.寬扁梁的截面要求

寬扁梁和一般梁的區(qū)別，主要就是根據(jù)寬扁梁的截面尺寸來區(qū)分它們。寬扁梁的定義：當(dāng)bh≥hb時的梁稱為寬扁梁。其中bh為梁的截面寬度，hb為梁截面高度?；炷翆挶饬旱牧焊咭巳∮嬎憧缍鹊膌/16-1/22，對于預(yù)應(yīng)力混凝土寬扁梁的梁高宜取計算跨度的l/20-1/25，跨度較大者則取較大值?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）第6.3.2條規(guī)定：bh≦2bc； bh≦bc+ bh； hb≥16d； bc為柱截面寬度，圓形截面取柱直徑的0.8倍，d為柱縱筋直徑。同時，寬扁梁的截面高度不宜小于2.5倍板的厚度；寬扁梁的截面寬高比bh/bh 不宜超過3；寬扁梁邊框架的邊梁寬度不宜大于柱寬（柱垂直于邊框方向的截面尺寸）。

2.寬扁梁的剛度調(diào)整系數(shù)

高層建筑常選用現(xiàn)澆混凝土樓蓋系統(tǒng)，在水平荷載效果下，經(jīng)過框架梁和現(xiàn)澆板的抗彎來束縛柱端的轉(zhuǎn)動?；炷涟蹇勺鳛楸饬旱囊砭壴黾悠浣孛鎰偠?。在進行框架整體結(jié)構(gòu)分析時，常用的軟件是先按照框架梁的矩形截面進行剛度計算，在剛度調(diào)整時，設(shè)計人員再通過剛度調(diào)整系數(shù)進行放大（中梁用2.0，邊梁用1.5）。這對一般梁而言是相對精確的，但對寬扁梁不宜用一個抽象的1.5或2.O的系數(shù)來調(diào)整擴大。目前軟件如SATWE、PMSAP等能實現(xiàn)對T型梁截面剛度的精確計算，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時首選按實際T型截面計算梁的剛度，這樣更能符合建筑物實際的受力狀態(tài)。

3.寬扁梁配筋

寬扁梁交叉處雙向布置，縱向扁梁在柱上有交聯(lián)，與柱子構(gòu)建成一個拓展的基座，鋼筋布置合理，寬扁梁就能夠使用此拓展的基座，把負載全部轉(zhuǎn)嫁到柱子的截面上，所以寬扁梁節(jié)點區(qū)域能夠視為梁的基座。梁縱向鋼筋在支座區(qū)域內(nèi)的錨固與連接都應(yīng)依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）中對普通框架梁的要求，其中柱截面寬度外側(cè)的梁底鋼筋的布置，應(yīng)當(dāng)貫穿布置或根據(jù)受拉鋼筋的要求進行錨固。寬扁梁宜有3/4的縱向受力鋼筋在柱核心區(qū)穿過或錨固。

4.寬扁梁的梁柱節(jié)點核心區(qū)布局要求

（1）節(jié)點核心區(qū)水平抗剪箍筋的設(shè)置

節(jié)點核心區(qū)水平抗剪箍筋除了在柱寬范圍內(nèi)要按照規(guī)范構(gòu)造規(guī)定和計算結(jié)果進行配置，還需要在外部重點區(qū)域進行配置。

（2）節(jié)點外部重點區(qū)抗扭縱筋設(shè)置

當(dāng)雙向?qū)挶饬毫焊咭粯訒r，需按照計算結(jié)果增加相應(yīng)的抗扭縱筋；當(dāng)雙向?qū)挶饬旱牧焊卟灰粯訒r，可在低寬扁梁外部重點區(qū)域底端設(shè)置開口向上的開口箍筋，方便底部抗扭縱筋錨固；若僅為單向?qū)挶饬簳r，可利用設(shè)置在節(jié)點核心區(qū)的封閉箍筋。

（3）節(jié)點核心區(qū)外部豎向抗剪拉筋設(shè)置

寬扁梁節(jié)點核心區(qū)外的重點區(qū)域內(nèi)要放置豎向抗剪鋼筋，它的作用在于增強抗剪能力，并且能夠固定柱寬范圍以外的重點區(qū)的寬扁梁的縱向鋼筋。

5.寬扁梁的裂縫及撓度驗算

一般寬扁梁的配筋都相對比較大，由強度控制的梁，如果配筋率較大時，則裂縫和撓度都較難滿足?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）6.3.1明確規(guī)定：在梁高較小或采用扁梁時，除應(yīng)驗算其承載力和受剪截面要求外，尚應(yīng)滿足剛度和裂縫的有關(guān)要求。裂縫寬度的計算按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）的7.1相關(guān)規(guī)定。鋼筋混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度可按荷載的準(zhǔn)永久組合并考慮長期作用影響的效應(yīng)計算，預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度可按荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長期作用影響的效應(yīng)計算。撓度計算按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）的7.2相關(guān)規(guī)定。

四、結(jié)語

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用寬扁梁結(jié)構(gòu)，梁的自重增加，剛度較小，對結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的貢獻也較小，相應(yīng)地會加大框架柱或剪力墻的負擔(dān)，框架柱或剪力墻還有框架梁的配筋也較大，一般情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性較差，但房屋的綜合經(jīng)濟指標(biāo)可能較好，實際是以犧牲結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟指標(biāo)換來房屋的整體經(jīng)濟指標(biāo)的改善。結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的主要任務(wù)是運用科學(xué)的方法，選用既滿足建筑使用功能同時又經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)布置形式，相信諸如寬扁梁之類的結(jié)構(gòu)形式在特定建筑中的運用會越來越成熟。

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