附加彎剪構(gòu)件在大跨度混凝土結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張繪軍 王同果 石玉仁 都愛(ài)華

(1.山東建大建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)南 250001； 2.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250001)

1 工程概況

某大學(xué)兩教學(xué)單體之間在端部設(shè)置連廊，作為建筑單體之間人員交流、聯(lián)系的通道。層數(shù)4層，長(zhǎng)度34.8 m(中間梁凈跨為30.800 m)，底層中間不設(shè)立柱，連廊底部作為消防通道，需滿足4.2 m凈高要求?？紤]施工進(jìn)度、使用維護(hù)等原因，業(yè)主要求采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案。又因考慮到施工難度及建筑外觀效果，業(yè)主不允許使用帶斜桿的混凝土桁架結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 總體方案

因結(jié)構(gòu)跨度大，普通鋼筋混凝土梁強(qiáng)度、裂縫、撓度等難以滿足要求。在多層梁之間設(shè)置附加彎剪構(gòu)件，能夠減小梁的彎矩峰值，改善內(nèi)力分布，施工工藝簡(jiǎn)單，綜合考慮采用附加彎剪構(gòu)件梁方案[1-4]。原設(shè)想此連廊框架梁與兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)剛性連接，成為一體，整體穩(wěn)定性好，但形成U形平面布局，造成平面不規(guī)則，應(yīng)力復(fù)雜。經(jīng)有限元內(nèi)力分析比較，連廊與兩側(cè)主體設(shè)置抗震縫脫開(kāi)，獨(dú)立設(shè)置，這樣受力明確，但連廊成為雙向單跨框架，抗震不利，為此在連廊梁端設(shè)置鋼筋混凝土筒體，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能，以滿足規(guī)范要求。最終結(jié)構(gòu)方案連廊立面、平面布置圖及工程建成后的實(shí)際效果圖，見(jiàn)圖1～圖3。

2.2 附加彎剪構(gòu)件梁方案

1)彎剪桿布置：在附加彎剪構(gòu)件梁體系中，彎剪桿的主要作用是調(diào)節(jié)梁彎矩，降低梁內(nèi)正負(fù)彎矩的峰值，使梁上的峰值彎矩趨于均衡，彎剪桿主要承受的內(nèi)力為彎矩和剪力，調(diào)節(jié)幅度的大小可以通過(guò)調(diào)整彎剪桿的位置、數(shù)量、剛度來(lái)確定。理論研究表明，彎剪桿布置在梁最大轉(zhuǎn)角位置時(shí)對(duì)梁彎矩調(diào)節(jié)能力最大，即在0.2L,0.8L處[3]，因本工程跨度較大，在兩端各設(shè)置兩根彎剪桿，并使兩根彎剪桿的水平距離中心點(diǎn)盡量在梁最大轉(zhuǎn)角附近，經(jīng)彎剪桿不同的布置位置及截面尺寸試算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果并考慮建筑功能要求，確定彎剪桿布置位置。在實(shí)際中不同的工程設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際的跨度來(lái)確定剪彎桿的數(shù)量和位置。

2)構(gòu)件截面尺寸確定：彎剪桿主要承受順梁縱向方向的彎矩與剪力，設(shè)置為寬扁形，根據(jù)試算時(shí)設(shè)置的位置及較為理想的調(diào)幅大小，彎剪桿尺寸取值500 mm×1 200 mm；梁按中間最大跨度的1/10～1/18取值，尺寸600 mm×850 mm。

3)計(jì)算分析?；緟?shù)：設(shè)防烈度7度(0.1g)，抗震等級(jí)三級(jí)，基本風(fēng)壓0.45 kN/m2，場(chǎng)地類別Ⅱ類。

根據(jù)SAP2000計(jì)算制作的模型試驗(yàn)表明[1]：梁端跨首先出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)的破壞首先發(fā)生在計(jì)算分析的梁的峰值處，破壞順序與計(jì)算結(jié)果相吻合，用現(xiàn)行的桿件分析理論研究該結(jié)構(gòu)形式有相當(dāng)?shù)倪m應(yīng)性。

本工程采用Satwe,SAP2000,盈建科等多種不同力學(xué)模型軟件分別進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，各主要截面內(nèi)力峰值見(jiàn)表1(取其中一榀框架梁)。

表1 各主要截面內(nèi)力峰值表(二層) kN·m

各主要截面彎矩見(jiàn)表2(取其中一架框架梁截面1—1,2—2,位置見(jiàn)圖1)。

不帶剪彎桿的普通框架：正彎矩：2 711 kN·m,負(fù)彎矩:3 342 kN·m(二層)。

表2 各主要截面彎矩表(二層) kN·m

從以上內(nèi)力對(duì)比分析可見(jiàn)：a.增加剪彎桿后的空間受力模式能使梁上出現(xiàn)多個(gè)峰值點(diǎn)，同時(shí)大幅度降低框架梁的內(nèi)力幅值，從而實(shí)現(xiàn)大跨度的可能性。b.各計(jì)算程序不同力學(xué)模型框架梁的峰值內(nèi)力與峰值內(nèi)力的位置及各主要斷面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果基本相近，誤差在5%以內(nèi),同SAP2000的計(jì)算數(shù)據(jù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，說(shuō)明現(xiàn)行的各計(jì)算軟件能夠準(zhǔn)確的計(jì)算其內(nèi)力數(shù)據(jù)[1]。c.因正彎矩峰值的降低，使結(jié)構(gòu)的撓度計(jì)算滿足規(guī)范要求(帶剪彎桿的框架梁的計(jì)算撓度值為82 mm，而普通框架梁的撓度值為186 mm)。d.從各軟件的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)加剪彎桿的框架梁產(chǎn)生較大的軸向拉力，此結(jié)果同SAP2000的計(jì)算結(jié)果及相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。e.整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力較大處出現(xiàn)在兩個(gè)邊跨各層梁的兩端，也就是在梁的峰值處(梁柱節(jié)點(diǎn)處)，這和試驗(yàn)的結(jié)果完全一致[1]。

剪彎桿對(duì)彎矩的調(diào)節(jié)作用見(jiàn)圖4～圖6。

4)設(shè)計(jì)采取的加強(qiáng)措施。

a.抗震設(shè)計(jì)：因結(jié)構(gòu)規(guī)則性較差，跨度較大，且實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)較少，為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，地震作用計(jì)算時(shí)加速度提高至0.15g，抗震等級(jí)提高至二級(jí)，且與0.1g時(shí)的中震彈性包絡(luò)設(shè)計(jì)。

b.抗傾覆設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)橫向尺度較小，重視抗傾覆設(shè)計(jì)。計(jì)算指標(biāo)滿足抗傾覆驗(yàn)算，基底不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，還適當(dāng)加大基礎(chǔ)埋深，并與兩側(cè)主體基礎(chǔ)連為一體，增強(qiáng)抗傾覆能力。

c.強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)：兩端混凝土筒體遠(yuǎn)大于水平梁抗彎能力，容易滿足要求。對(duì)于剪彎桿與梁相交節(jié)點(diǎn)，則應(yīng)按強(qiáng)梁弱柱設(shè)計(jì)[2,4]，可按《抗規(guī)》6.2.2條設(shè)計(jì)，使節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的梁彎矩設(shè)計(jì)值之和大于節(jié)點(diǎn)上下剪彎桿彎矩設(shè)計(jì)值之和的1.2倍。程序不能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，需人工復(fù)核。以達(dá)到剪彎桿兩端→梁→柱(筒體)屈服順序，形成良好的破壞機(jī)制。

d.梁構(gòu)造加強(qiáng)：理論計(jì)算表明，彎剪桿的設(shè)置并不能調(diào)節(jié)梁的剪力，梁剪力依舊較大；實(shí)驗(yàn)表明，邊跨梁是易破壞的危險(xiǎn)區(qū)段。因此，設(shè)計(jì)時(shí)采取梁水平加腋的方法增加梁的抗剪承載力，并在端部?jī)煽缛L(zhǎng)箍筋加密，同時(shí)適當(dāng)增加邊跨梁的縱筋配置，增強(qiáng)抗彎承載力。

e.經(jīng)有限元理論計(jì)算，彎剪桿的設(shè)置使梁產(chǎn)生較大的拉力[4]，因此框架梁應(yīng)按拉彎構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算設(shè)計(jì)，并適當(dāng)增加梁的上部通長(zhǎng)鋼筋。

f.彎剪桿及節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)：彎剪桿受力不同于柱，其軸力較小，主要承受彎矩及剪力，因此彎剪桿按受彎構(gòu)件考慮，對(duì)于彎剪桿計(jì)算跨度L0與桿截面的高度h之比小于5的情況還應(yīng)按深受彎構(gòu)件進(jìn)行承載力復(fù)核。彎剪桿的縱筋錨入梁內(nèi)，并滿足抗震錨固長(zhǎng)度，梁箍筋配置貫穿桿、梁節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)不需配置彎剪桿箍筋，見(jiàn)圖7。

g.撓度控制：通過(guò)適當(dāng)增加樓板厚度、提高梁縱筋配筋率及混凝土強(qiáng)度等級(jí)等措施加大梁的剛度，并在施工過(guò)程中預(yù)先起拱使計(jì)算撓度滿足規(guī)范規(guī)定。

3 施工注意措施

1)本方案措施因考慮空間整體分析，在進(jìn)行支撐架設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮四層結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體進(jìn)行荷載計(jì)算，高支模施工須編制完善的專項(xiàng)施工方案，進(jìn)行詳細(xì)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及受力驗(yàn)算。

2)拆模順序：計(jì)算模型為一次性成剛計(jì)算，因此施工時(shí)應(yīng)主體全部完工后待強(qiáng)度達(dá)到100%后才能拆除模板，且拆除順序?yàn)閺捻斖住?/p>

3)施工時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)起拱，起拱值應(yīng)與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行溝通，不宜超出構(gòu)件在相應(yīng)荷載組合作用下的計(jì)算撓度值。

4 結(jié)語(yǔ)

1)設(shè)置彎剪桿能夠降低梁的彎矩峰值，此結(jié)構(gòu)體系具有良好的破壞機(jī)制，適用于較大跨度的結(jié)構(gòu)。常用分析軟件如Satwe,SAP2000、盈建科等結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件適用該結(jié)構(gòu)類型的分析。

2)剪彎桿的布置位置、剛度和數(shù)量影響梁的內(nèi)力峰值，實(shí)際工程應(yīng)結(jié)合建筑功能要求進(jìn)行多方案比較。

3)彎剪桿的設(shè)置調(diào)低了彎矩峰值，再輔以增大配筋、適當(dāng)加大梁翼緣厚度(板厚)、提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)等措施，計(jì)算撓度滿足規(guī)范要求。本工程只是采取了施工時(shí)預(yù)起拱的措施減小撓度變形，目前工程施工完成并投入使用已兩年，變形滿足預(yù)期。但長(zhǎng)期變形情況有待進(jìn)一步觀察。有條件時(shí)應(yīng)采取施加預(yù)應(yīng)力等措施。

4)本結(jié)構(gòu)形式并不能調(diào)節(jié)梁的剪力，邊跨梁依然是易破壞的危險(xiǎn)區(qū)段，在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取有效措施適當(dāng)增加梁的抗剪承載力儲(chǔ)備，滿足強(qiáng)剪弱彎的基本概念設(shè)計(jì)。

5)本工程于2016年已投入竣工使用，取得了良好的使用效果。

[1] 謝 群，張 鑫，趙考重,等.綴板梁結(jié)構(gòu)在豎向荷載：下承載力的試驗(yàn)研究[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2003(6)：18.

[2] 范夕森，賈 強(qiáng).大跨度腹板柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析及應(yīng)用[J].四川建筑科學(xué)研究,2009(1):35-37.

[3] 趙玉星，孟曙光.設(shè)置附加剪彎桿的大跨度框架結(jié)構(gòu)[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2000(9):15.

[4] 趙玉星，韓克勝.設(shè)置附加剪彎桿的大跨度框架及其設(shè)計(jì)[J].工業(yè)建筑,2001，31(7):77-78.