結構構件構造設計分析與應用

馬文正

【摘要】本文分析了結構設計中框架梁、框架柱、剪力墻的重要結構構造，并敘述了對規(guī)范的理解與實際應用。

【關鍵詞】構件設計；框架梁；框架柱；剪力墻

為滿足抗震結構在地震作用下?lián)碛凶銐虻难有?，?guī)范規(guī)定了構件的最小截面尺寸、最小配筋率、箍筋體積配箍率等構造措施。本文主要從概念出發(fā)，在結構構件的構造角度探討梁、柱、墻等構件的施工圖設計中容易出現(xiàn)的問題，同時也是結構審圖工作中較為重要的內(nèi)容。

1、框架梁

《高規(guī)》6.3.1條規(guī)定了高層結構框架梁的截面取值，實際工程中對荷載較大的情況跨高比可取上限范圍1/10～1/12取值，對荷載較小的情況跨高比可取下限范圍1/15～1/18取值，當采用無梁樓板結構時，板厚不小于跨度的1/18且沿柱網(wǎng)設置暗梁時，可認為其屬于梁板結構。結構設計中梁截面的確定，應考慮對結構抗震性能及結構設計的經(jīng)濟的影響。1）適當加大梁的截面高度，梁的自重較??；高度較大，對結構側向剛度的貢獻也較大。在豎向荷載作用下梁的配筋較小，結構設計的經(jīng)濟性較好。2）采用寬扁梁或梁的截面高度較小時，梁的自重增加，剛度較小，對結構側向剛度的貢獻也較小，同時也會加大框架柱或剪力墻的負擔，框架柱或剪力墻的截面和配筋也較大，框架梁的配筋也大，結構設計的經(jīng)濟性較差。但框架梁截面較小時，較容易實現(xiàn)梁鉸機制，較容易滿足墻柱弱梁要求，結構的抗震性能不差。

《高規(guī)》6.3.2條規(guī)定了計入受壓鋼筋作用的梁端截面混凝土受壓區(qū)高度與有效高度之比值要求；縱向受拉鋼筋的最小配筋率要求；梁端截面的底面和頂面縱向鋼筋截面面積比值的要求；梁端箍筋加密區(qū)范圍、箍筋最大間距、箍筋最小直徑的要求?？v向受壓鋼筋的錨固應按照《混規(guī)》規(guī)定滿足對受壓鋼筋的特殊錨固要求，并在縱向受壓鋼筋錨固長度范圍內(nèi)配置橫向構造鋼筋，以防止保護層混凝土劈裂時，縱向受壓鋼筋的錨固突然實效。橫向鋼筋指垂直于縱向受力鋼筋的箍筋或間接鋼筋。當梁端頂截面與底截面采用不同強度等級的鋼筋時，受壓鋼筋不宜再按配筋率控制，可理解為Asfy≥Asfy/2。

《高規(guī)》6.3.3條規(guī)定了梁端縱向受拉鋼筋的最大配筋率要求；沿梁全長頂面和底面的縱向通長鋼筋的要求；以及貫通框架中柱的梁鋼筋最大直徑的限值要求。根據(jù)國外試驗資料，受彎構件的延性隨其配筋率的提高而降低，但當配置不少于受拉鋼筋50%的受壓鋼筋時，其延性可以與低配筋率的構件相當。所以當受壓鋼筋不小于受拉鋼筋的0.5倍時，受拉鋼筋配筋率可提高至2.75%。梁的通長鋼筋可以是梁兩端部分負筋通長配置，也可以是梁跨中頂面鋼筋與其兩側梁端負筋連接。中柱貫通鋼筋直徑的要求，主要為防止梁在反復作用時鋼筋的滑移。采用圓形截面柱時，應盡量居中布置框架梁。當梁鋼筋所在位置的弦長不滿足要求時，應設置方形梁柱節(jié)點。

2、框架柱

《抗規(guī)》6.3.5條及《高規(guī)》6.4.1條規(guī)定了框架柱最小截面尺寸、柱的剪跨比、柱截面的高寬比要求。考慮到抗震安全，抗震設計時柱截面尺寸不宜過小，對層數(shù)不超過兩層時的框架柱截面要求予以適當放松。樓梯柱作為一種特殊結構柱，宜按抗震設計的框架柱要求采取相應的構造措施，樓梯柱的截面寬度不應小于200mm截面面積不應小于框架柱的截面面積要求。

《高規(guī)》6.4.2條規(guī)定了抗震設計時，鋼筋混凝土柱軸壓比的限值要求。當配筋量、箍筋形式滿足一定要求，或在柱截面中部設置配筋芯柱且配筋量滿足一定要求時，柱的延性有不同程度的提高，因此可對柱的軸壓比限值適當放寬。設置芯柱的目的在于改善鋼筋混凝土框架柱的延性，結構分析時一般不考慮芯柱對框架柱抗彎及抗剪承載力的影響，因此，芯柱一般設置在柱截面的中部。

《高規(guī)》6.4.3條規(guī)定了柱縱向鋼筋的最小配筋率、箍筋加密區(qū)最大箍筋間距和最小直徑的要求。影響框架柱最小配筋率的因素很多，有框架柱的類型、抗震等級的高低、場地條件的影響、混凝土及鋼筋強度等級的高低等。本條第2款第2）項主要考慮當箍筋直徑較大且肢數(shù)較多時，箍筋的凈距偏小不利于混凝土澆筑，故將箍筋的間距適當放寬，以便于施工和保證混凝土的澆筑質(zhì)量。但箍筋的間距放寬后，柱的體積配箍率仍需滿足相關要求。對箍筋的肢距要求，是為保證箍筋對混凝土及受壓鋼筋的有效約束。

3、剪力墻

剪力墻的截面厚度應滿足《高規(guī)》7.2.1條的規(guī)定，并應符合《高規(guī)》附錄D對墻體穩(wěn)定驗算要求。實際工程中，在墻肢平面外設置約束構件對提高墻肢的承載力及墻肢的穩(wěn)定性作用明顯。有試驗表明：有平面外約束的墻肢與平面外無約束矩形截面墻肢相比，不僅墻板的穩(wěn)定性明顯改善，而且其極限承載力約提高40%，極限層間位移角約增加一倍，對地震能量的耗能能力大20%左右。樓梯間外部剪力墻承受少量的豎向荷載，地震時容易出現(xiàn)拉應力，墻的計算長度不能按上、下樓梯高度取值，墻的穩(wěn)定性不能完全由程序自動驗算，應進行必要的復核計算。應采取措施加強墻與樓層及休息平臺的連接，必要時應加大樓梯板厚度，樓梯短向鋼筋應加大并按受拉錨固要求錨入墻內(nèi)，梯板沿長向板邊設置暗梁或鋼筋帶，加大梯板的平面內(nèi)剛度并給墻以較大的平面外約束。

高層剪力墻結構的豎向和水平分布鋼筋不應單排配置。其配筋要求應滿足《高規(guī)》7.2.3條對鋼筋排數(shù)的要求。當剪力墻厚度較大時，如果只配置雙排配筋，則在墻厚中部形成大面積的素混凝土，將導致剪力墻截面應力的不均勻，因此，要采用三排或四排，每排鋼筋包含水平分布鋼筋及豎向分布鋼筋。截面設計所需總配筋可分配在各排分布筋中，靠墻面的配筋比例可適當加大。對結構重要部位的剪力墻，其水平和豎向分布筋的配筋率宜適當提高，對溫度、收縮應力較大的部位，水平分布筋的配筋率宜適當提高。需加強配置水平及豎向分布筋的剪力墻有：剪力墻頂層、樓、電梯間墻體、端開間的縱向剪力墻、端山墻等。

剪力墻兩端和洞口兩側應設置邊緣構件，當剪力墻底層墻底截面的軸壓比大于《高規(guī)》表7.2.14的規(guī)定值時，以及部分框支剪力墻結構的剪力墻，應在底部加強部位及相鄰上一層設置約束邊緣構件，對地面以下，約束邊緣構件應延伸至嵌固端的下一層，當嵌固端位于基礎頂面時，延伸至基礎。以底層墻肢的軸壓比作為判斷是否設置約束邊緣構件的依據(jù)，是建立在墻肢在底部加強部位高度范圍內(nèi)截面不變或均勻變化的基礎上的，即在底部加強部位的高度范圍內(nèi)，墻肢的最大軸壓比數(shù)值應出現(xiàn)在墻底截面。底部加強部位及相鄰上一層的剪力墻，當側向剛度無突變時，墻的厚度不宜改變。對復雜工程，當剪力墻底截面的軸壓比不是最大值時，應以底部加強部位高度范圍內(nèi)墻肢的最大軸壓比數(shù)值來確定是否設置約束邊緣構件。

參考文獻：

[1]《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》中國建筑工業(yè)出版社JGJ3-2010

[2]朱炳寅，《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程應用與分析》中國建筑工業(yè)出版社，2012年出版