塑性鉸區(qū)開洞梁的受力性能與工程應用*

孫立春 林旭川

1.鄭州市建筑設計院 450007

2.中國地震局工程力學研究所 哈爾濱150080

引言

隨著人們對建筑功能要求越來越多，建筑中的通風、空調(diào)、熱水以及上下水管道越來越復雜。這些管道通常在梁底穿行，這就增加了樓層的高度，如果設備管線能從梁中穿洞而過，使結(jié)構(gòu)高度和管道高度合二為一［1］，則可以增加使用空間，降低工程造價，獲得顯著的經(jīng)濟效益，提升建筑空間品質(zhì)。

在實際工程中，設備管道往往布置在框架梁端緊貼柱根處，而該位置多為塑性鉸區(qū)，相關(guān)標準中對梁在該區(qū)域開洞有所限制［2］。因為在該區(qū)域增加孔洞，將使梁的有效截面減少，降低梁的承載力和塑性鉸區(qū)的耗能能力，影響整體結(jié)構(gòu)的抗震安全性和洞口周圍的局部穩(wěn)定性，并帶來相應的構(gòu)造問題。目前針對混凝土開洞梁的研究未能反映出結(jié)構(gòu)的真實受力狀態(tài)，且理論研究較多，對實際工程應用細節(jié)缺乏探討，若處理不當，易引發(fā)工程事故，降低結(jié)構(gòu)的可靠度［3］。

本文以某剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅項目中塑性鉸區(qū)開洞梁的應用為背景，針對具體加強措施進行了有限元仿真分析，結(jié)果表明采取恰當?shù)募訌姶胧┖竽軌虮ＷC梁的安全性，并在該項目施工中進行了實際應用，為塑性鉸區(qū)穿洞梁的應用提供了參考。

1 開洞梁的設計與有限元模型

1.1 原型結(jié)構(gòu)開洞梁構(gòu)造措施

在某剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅項目中，為控制樓層凈高，采用在框架梁塑性鉸區(qū)進行設備管道穿梁的方案，針對該方案的特殊性，采取了如下加強措施［4］，如圖1所示：（1）在開洞梁兩側(cè)設置了斜腋，以增強上部弦桿的抗彎抗剪性能；（2）在上下弦桿及洞口之間的腹桿處設置密箍以增強抗剪性能，并設置斜筋以加強腹桿的撐桿作用，保證梁的整體性能；（3）設置鋼套管，加強與混凝土的界面連接，保證鋼套管等效剛度大于削弱的混凝土。

圖1 開洞梁具體構(gòu)造詳圖Fig.1 Detail drawing of the beam with openings

1.2 梁端加載

塑性鉸主要是保證梁在中震時梁的耗能能力，以實現(xiàn)“中震可修”的性能目標。運用PKPM軟件對整體結(jié)構(gòu)進行了小震彈性和中震不屈服分析，得到開洞梁端最大彎矩為471kN·m，最大剪力為287kN。運用MSC.MARC非線性有限元軟件對塑性鉸區(qū)開洞梁進行分析，考慮到開洞較多，為了對構(gòu)件承載力與破壞情況進行分析，選取抗彎為主與抗剪為主兩種加載方式，并分別對梁受彎（受剪）的不同方向進行加載分析。

1.3 有限元模型的建立

混凝土開洞梁模型由混凝土、鋼套管、鋼筋和彈性墻體四部分組成?；炷翉姸鹊燃塁30，鋼筋采用HRB400熱軋帶肋鋼筋，鋼套管采用Q235B鋼材。

混凝土采用8節(jié)點實體單元建模，賦彈塑性-斷裂材料本構(gòu)屬性，混凝土的開裂采用彌散裂縫模型進行仿真模擬，強度超過壓潰應變后即為失效［5］；鋼套管采用厚殼單元，考慮鋼材的屈服與強化，采用隨動強化與von Mises屈服面；鋼筋采用桿單元，材料本構(gòu)與鋼套管的彈塑性本構(gòu)一致。鋼筋模型建立后，通過Inserts功能將整個鋼筋籠嵌入到混凝土實體模型中，實現(xiàn)鋼筋籠與混凝土的共同工作；為使高層混凝土開洞梁具備合理的邊界條件，在鋼筋混凝土開洞梁端部，增加一段200mm厚的墻體，并將其節(jié)點固定。

在建模過程中，圓鋼管與混凝土采用節(jié)點耦合的形式進行連接，假定二者可以較好地進行共同作用。因此，實際工程中圓鋼管與混凝土之間需要采取足夠的抗剪、抗拉的連接措施。具體荷載采用PKPM計算的剪力、彎矩值。開洞梁模型如圖2所示。

圖2 開洞梁模型Fig.2 Model of opening holes beam

2 開洞梁抗彎性能分析

混凝土開洞梁在負彎矩與剪力共同作用下，當剪跨比為3.0時，該梁由受彎承載力控制，跟實際工作狀態(tài)較貼近。在梁端施加正負兩個方向的豎向位移，可得到梁端彎矩與加載位移的關(guān)系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，正彎矩屈服承載力略高于負彎矩屈服承載力，且屈服值均在800kN·m以上，明顯高于設計彎矩包絡值471kN·m，即該混凝土梁開洞后彎矩滿足設計要求，在達到中震不屈服設計荷載時還具有很好的承載能力儲備。

圖3 梁端彎矩-加載位移關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve of bending moment and load deflection

2.1 開裂和屈服分析

在該混凝土開洞梁上施加向下3mm、10mm、60mm豎向位移Δ，3mm時構(gòu)件初始開裂，10mm時構(gòu)件屈服開裂，60mm時構(gòu)件接近極限狀態(tài)，不同幅值下的混凝土的開裂情況如圖4所示。

圖4 受彎構(gòu)件開裂情況Fig.4 Cracking of flexural members

由圖4可知，開洞梁的混凝土在該加載模式下，開裂以受彎裂縫為主，根據(jù)開裂應變估計的裂縫寬度如下：（1）最大彎矩包絡值作用下，最大裂縫寬度約0.23mm；（2）當構(gòu)件屈服時，最大裂縫寬度約0.45mm。

2.2 鋼套管與鋼筋屈服情況

在該開洞梁上施加向下15mm和60mm豎向位移Δ，15mm時構(gòu)件明顯屈服，60mm時構(gòu)件接近極限狀態(tài)，不同幅值下鋼套管與鋼筋屈服分布如圖5所示。

圖5 鋼筋屈服情況Fig.5 The rebar yielding status

由圖5可知鋼筋的屈服順序，首先是梁端上下側(cè)縱筋屈服，接著斜筋屈服，最后屈服進一步擴展到所有縱筋以及靠近梁端的斜筋上，屈服狀態(tài)也表明塑性鉸區(qū)仍然在梁端首先出現(xiàn)。

3 開洞梁抗剪性能分析

開洞梁在負彎矩與剪力共同作用下，剪跨比為1.5時，該梁承載力受剪力控制［6］。在梁端施加正負兩個方向的豎向位移，可得到梁端剪力與加載位移的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 剪力-加載位移關(guān)系曲線Fig.6 The relation curve of shearing force and load deflection

由圖6可知，在梁端分別施加向上和向下位移時，梁的開裂、剛度與屈服強度相接近，即加載方向?qū)α旱募袅Τ休d力影響不大。該開洞梁的實際抗剪承載力達到912kN，遠高于設計值287kN，即該開洞梁的抗剪能力滿足中震下的抗剪截面要求。

3.1 開裂和屈服分析

在該開洞梁上施加向下1mm、7.5mm和22.5mm豎向位移，1mm時構(gòu)件初始開裂，7.5mm時構(gòu)件屈服開裂，22.5mm時構(gòu)件接近極限狀態(tài)，不同幅值下混凝土的開裂情況如圖7所示。

圖7 受剪構(gòu)件開裂情況Fig.7 Cracking of shear members

由圖7可知，在該加載模式下，開洞梁混凝土裂縫呈現(xiàn)明顯的剪切型特點，在屈服前，最大裂縫寬度小于受彎控制加載條件下的裂縫寬度，能夠滿足強剪弱彎的要求。

3.2 鋼套管與鋼筋屈服情況

在該混凝土開洞梁上施加豎直向下15mm和22.5mm位移，15mm時構(gòu)件明顯屈服，22.5mm構(gòu)件進入極限狀態(tài)，不同幅值下鋼管與鋼筋屈服分布如圖8所示。

圖8 鋼筋屈服情況Fig.8 The rebar yielding status

由圖8可知，在剪力作用下，梁首先在梁端縱筋處屈服，接著在各個斜筋處屈服，同時鋼套管也有少量屈服。

4 開洞梁加強措施參數(shù)分析

4.1 斜筋的加強作用

針對開洞梁中斜筋、鋼套管的作用情況，圖9分別給出了受彎為主與受剪為主兩種工況的系列荷載-位移關(guān)系曲線。

圖9 荷載-位移關(guān)系曲線Fig.9 The relation curve of load and deflection

通過圖9的對比分析可知，斜筋的作用與影響如下：（1）在混凝土開裂前，斜筋的影響不大；（2）混凝土開裂后，斜筋對抗彎剛度影響較小，對抗剪剛度有一定影響（圖9a），無斜筋開洞梁剛度明顯低于有斜筋的開洞梁（圖9b）；（3）斜筋對承載力有適量影響，對屈服承載力的影響較小（圖9a）。對抗剪承載力的影響稍大一些，無斜筋時，當構(gòu)件出現(xiàn)屈服后，構(gòu)件強度仍然會增長，但延性下降，一定變形之后出現(xiàn)強度下降；（4）圖9b中抗剪屈服強度約900kN，如保守地將其作為構(gòu)件極限抗剪承載力，滿足高層開洞梁的抗剪承載力要求；而抗彎控制時（圖9a）屈服彎矩可達800kN·m以上，其強度高于設計包絡彎矩最大值409kN·m，即抗彎承載力滿足設計要求。

4.2 鋼套管的加強作用

圖9a與圖9b進一步給出了無鋼套管與有鋼套管鋼筋混凝土梁的性能對比。圖中虛線為無斜筋也無鋼套管的荷載-位移曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，如果不設置鋼套管，抗彎強度將下降10%左右，而抗剪強度下降約25%。此外，不設置鋼套管時，不僅影響整體強度和剛度，還會導致孔洞周圍開裂，如圖10所示。因此，鋼套管的作用比較明顯，既參與整體受力，也確保了開洞附近局部的安全。

圖10 有無套管開裂分布對比Fig.10 The cracking comparison of having drivepipe or not

4.3 斜腋的加強作用

為了研究斜腋對開洞鋼筋混凝土梁的影響，圖11給出了有斜腋與無斜腋的梁之間的性能對比。

圖11 荷載-位移關(guān)系曲線Fig.11 The relation curve of load and deflection

由圖11可知，當去掉斜腋混凝土與其內(nèi)部的縱向鋼筋、箍筋時，梁的剛度和承載力均明顯下降，對剪切承載力的影響達到有斜腋梁極限強度的三分之一。對于孔洞較大且偏向于上部或下部一側(cè)時，設置斜腋保證了足夠受壓區(qū)的強度，保證了截面的抗剪要求，延長了塑性鉸區(qū)域，有效地彌補了由于開洞造成的截面損失。

5 工程實際應用情況

施工現(xiàn)場的鋼筋布置如圖12所示，由于開洞梁中斜筋和箍筋加密的設置，使得鋼筋較密，對混凝土的澆筑產(chǎn)生了不利影響，為此建議增加箍筋的設置，取消了斜筋；并設置定位鋼筋與鋼套管焊接，以保證鋼套管定位準確。最終現(xiàn)場實際安裝效果如圖13所示。

圖12 現(xiàn)場鋼筋布置細節(jié)Fig.12 The reinforcement layout in site

圖13 管道穿梁效果Fig.13 The effect of pipeline through beam

6 結(jié)論

本文通過對高層建筑塑性鉸區(qū)開洞梁力學性能的分析及工程實際應用，得到如下結(jié)論與建議：

1.在采取有效的加強措施情況下，塑性鉸區(qū)開洞梁的承載安全與變形能力可以得到保證。

2.斜腋是保證梁有效截面的重要措施，當孔洞較大且偏向于上部或下部一側(cè)時，設置斜腋有效地保證了梁的抗剪承載力，延長了塑性鉸區(qū)，有效提高了梁的耗能能力。

3.斜筋對梁的承載力影響較小，對增加梁的延性有益，在箍筋足夠的情況下，斜筋作用不明顯；實際工程中可以增加箍筋，減少斜筋配置。

4.鋼套管既參與整體受力，也可抵抗開洞附近局部的破壞，鋼套管的剛度有效彌補了梁開洞后對梁剛度的削弱，因此建議開洞梁設置鋼套管，且需加強鋼套管與混凝土的界面連接，確保其與混凝土共同工作。

5.實際工程中梁開洞區(qū)域鋼筋較密，節(jié)點施工困難，應合理選用加強措施，優(yōu)化鋼筋配置，以利于施工質(zhì)量的保證。