高架車站構件抗剪及超筋問題研究

陳卓

摘要 在軌道交通高架結構設計中，常因考慮罕遇地震下性能化設計、蓋梁大跨度懸挑而導致深受彎構件的產生，其受剪截面不足及計算超筋的問題難以避免。該文以某實際項目為例，在不改變構件尺寸的情況下，從優(yōu)化活載布置、優(yōu)化計算恒載、提高混凝土強度、采用集中對角斜筋或對角暗撐及配置雙梁等角度解決了深受彎蓋梁截面不足的問題。對同類工程問題的解決提供借鑒。

關鍵詞 高架車站;地鐵工程;受剪截面;深受彎;計算超筋

中圖分類號 TU973.31 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）13-0129-03

0 引言

解決深受彎構件的受剪截面不足及計算超筋問題，增加構件截面及構件強度是最直接的方法。而一味地加大構件尺寸往往受到建筑使用功能的制約，且有時效果適得其反。該文以實際工程為例，從規(guī)范規(guī)程出發(fā)，在尺寸和強度不變的情況下，嘗試了多種其他方法，最終解決了實際工程問題。

1 項目概況

某城市軌道交通高架站，采用路中雙柱三層高架側式站臺的結構形式，地面一層為架空層，上設站廳層、站臺板下設備層及站臺層，一層層高7.95 m，站廳至站臺層高8.1 m。車站主體結構長143 m，寬26.3 m，上設屋面鋼結構罩棚。車站的整體剖面布置圖如圖1。

2 問題描述

在該工程中，由于首層采用雙柱懸挑梁的結構形式，其上兩層荷載通過梁上立柱的方式將上部荷載傳至懸挑蓋梁，蓋梁的單側懸挑長度達10 m，受建筑使用功能和搭設橋梁的約束，蓋梁的理想尺寸為變截面梁，支座端高度為2 200 mm。同時，為控制懸挑梁撓度，需配置三排預應力鋼筋（預應力計算不在該文論述范圍，但計算時已考慮預應力鋼筋對梁的影響）。中部蓋梁尺寸為2 400×2 200（mm），跨度為5.8 m，采用盈建科（YJK4.0）建立分析模型（如圖2），設計取容許應力法與YJK軟件計算結果的包絡值。在罕遇地震工況計算中發(fā)現(xiàn)，該構件最大配筋率超限（2.95%>2.75%）及抗剪截面不足（V/b/h0=4.85>1/γRE*0.20*βc*fc=4.50）。

3 解決思路

該工程中，中部蓋梁支座截面有效高度h0為1.76 m，跨中截面有效高度h0為1.98 m，計算跨度l0為3.4 m，梁寬b為3.4 m，按不利情況考慮，hw/b=0.52。查閱現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程：

當不考慮地震時，根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》G.0.3條，該構件受剪截面應滿足：

當考慮頻遇地震時，根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》11.3.3條，該構件受剪截面應滿足：

當考慮設防地震與罕遇地震的性能化設計時，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》M.1.2條，該構件受剪截面應滿足：

式中，V——剪力設計值;l0——計算跨度，當l0小于2h時，取2h;該工程取4.4 m。b、h——b*h為構件截面尺寸，該工程取3.4 m*2.2 m。 h0——截面有效高度，該工程取1.76 m。hw——截面的腹板高度：矩形截面，取有效高度h0，該工程取1.76 m。βc——混凝土強度影響系數(shù)：當混凝土強度等級不超過C50時，βc取1.0;當混凝土強度等級為C80時，βc取0.8;其間按線性內插法確定;該工程取1.0。fc——混凝土軸心抗壓強度設計值。

因此，從計算公式涉及參數(shù)簡單歸納，可以從增加構件尺寸、提高混凝土強度等級、降低剪力設計值等方面解決深受彎構件的抗剪截面不足問題。配合優(yōu)化配筋方式、優(yōu)化計算軟件參數(shù)還可以同時解決配筋超筋的問題，該工程采用并對比了各種處理方法，具體如下：

3.1 增加構件尺寸

為解決構件抗剪截面不足問題，增加尺寸是最直接的方式。該工程由于受建筑使用功能和搭設橋梁的約束，跨中蓋梁不具備增加尺寸的條件。

但此處應該注意，在結構構件尺寸不斷增大的同時，曾有學者在無腹筋梁抗剪試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著試驗梁截面高度的增加，其名義抗剪強度（一般指抗剪強度同截面有效面積的比值）逐漸減小，即試件尺寸效應的存在——鋼筋混凝土構件的斜裂縫寬度隨著截面高度的增大而增大，從而降低斜裂縫界面骨料的相互機械咬合作用，導致開裂區(qū)傳遞剪力能力大大削弱，這種抗剪強度隨著截面尺寸的增大而減小的現(xiàn)象通常被稱為尺寸效應[1]。相應地，構件截面增大后，自重會增加，也會變得更“剛”，吸收更多的地震力，會出現(xiàn)計算配筋量不減反增的情況，需要結合具體平面布置進行多次對比試算。

3.2 優(yōu)化活荷載布置

（1）按照相關規(guī)范規(guī)程優(yōu)化設計時計入的活荷載，如按照《地鐵設計規(guī)范》（GB50157—2013）10.3.15條：“車站站臺、樓板和樓梯等部位的人群均布荷載值應采用4.0 kPa?！庇指鶕?jù)10.6.10條：“橫向單柱或雙柱的高架車站墩柱結構……計算時應計入一條線100%豎向靜活載和50%站臺人群荷載”，即整體模型計算時，站臺層的人群設計活荷載可以由4.0 kN/m2優(yōu)化為2.0 kN/m2。

（2）通過計算軟件參數(shù)設置優(yōu)化參與計算的活荷載。如采用YJK建模計算時，若建筑使用功能滿足《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009—2012）5.1.2款時，可通過點選：“前處理及計算”—“計算參數(shù)”—“活荷載信息”—勾選“設計時折減柱、墻活荷載”及調整“樓面梁活荷載折減設置”，以此減少參與計算時的可變荷載作用。該工程中，對使用功能為辦公室、機房、旅客等候室的房間按照“從屬面積超過50 m2時，樓面梁活荷載折減0.9”考慮。

（3）當建筑功能允許時，也可以由建筑專業(yè)配合優(yōu)化平面布置，將機房、泵房、含蹲便位的衛(wèi)生間及下掛夾層等荷載較重的房間，優(yōu)化布置于結構構件計算余量更充足處，如靠近懸挑梁支座端，避開邊梁、邊柱的平面位置。

3.3 優(yōu)化計算恒載

（1）在建筑功能和消防要求允許的前提下，通過采用輕質材料和減少厚度，降低建筑隔墻、降板回填、架空地面的永久荷載設計值。

（2）通過設置計算軟件參數(shù)優(yōu)化參與計算的恒荷載。當采用較厚樓板或布置有暗梁時，可通過扣除樓板自重與梁的重疊部分，減少計入的恒載。如采用YJK建模計算時，可以通過點選“樓層組裝”—“必要參數(shù)”—勾選“現(xiàn)澆樓板自重扣除與梁墻重疊部分”。以及可以通過點選“前處理及計算”—“計算參數(shù)”—“計算控制信息”—勾選“梁墻自重扣除與柱重疊部分”。采用此方法將減少結構自重和質量，并相應減少地震剪力和位移等。

3.4 提高構件混凝土強度

在相同條件下，鋼筋混凝土深受彎構件受剪承載力會隨著混凝土強度的提高而增大。如采用YJK建模計算時，可通過點選“構件布置”—“材料”—“材料強度”僅對截面不足及計算配筋超筋的梁混凝土等級進行提高。

值得注意的是，高強混凝土構件的剪切裂縫界面比較光滑，這導致界面間剪力傳遞減弱，從而使深梁抗剪承載力與混凝土強度關系不是一成不變的。

3.5 采用集中對角斜筋或對角暗撐配筋

對于軌道交通結構中的深受彎構件，當配筋超筋時也可以參考剪力墻結構中的連梁做法，按《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010—2010）11.7.10條，采用集中對角斜筋配筋或對角暗撐配筋的做法，減少縱筋數(shù)量滿足最大配筋率。同時，此方法對梁的剛度只進行了有限折減或者不折減，使深受彎構件發(fā)生剪切破壞時，達到地震作用的延性需求。

在YJK計算軟件中，可以通過點選“前處理及計算”選項卡下“特殊梁”中的“交叉配筋”與“對角暗撐”，對個別梁進行特殊定義。該工程中，由于蓋梁需要配置三排預應力鋼筋，不具備空間排布斜向鋼筋。

3.6 用“雙連梁”等效替代

“雙連梁”是指在連梁中部以水平裂縫隔開的上、下兩根連梁，參照此種方法，可將深受彎構件等效成截面相同的兩根梁，其截面的抗剪承載力雖然沒有改變，但可以增大其實際抗彎承載力，是一種行之有效的解決深受彎構件超筋問題的特殊手段。

設計時，通常按照抗剪截面面積相等的原則進行簡單等效，等效梁的寬度與原梁寬度相同，高度為原梁高度的一半。這種分別設置在水平縫上與下的組合連梁，與兩根同截面連梁并排設置是不同的。前者的實際抗彎能力比后者有明顯提高，其主要原因是上、下設置的連梁承擔著附加軸力，軸力形成的內力偶對外力起平衡作用[2]。

除普通鋼筋混凝土雙連梁外，還可以內置鋼板和纖維材。根據(jù)其他學者的試驗研究，加入鋼板的鋼板—混凝土雙連梁試件在峰值點處的承載力相對普通鋼筋混凝土雙連梁提高將近1.56倍，而鋼板—纖維增強混凝土組合雙連梁試件的累積耗能是普通鋼筋混凝土雙連梁的5.26倍，其承載能力、變形能力和塑性耗能更勝一籌[3]。

該工程中，也對比了采用“雙連梁”的布置方案，超筋問題確實得到了解決，但鑒于高架站蓋梁是外露結構構件，由于改變外觀較多，最終未采用該方法。

3.7 內置型鋼鋼骨

在普通的鋼筋混凝土深受彎構件中，可以通過內置型鋼鋼骨來有效滿足抗剪需求。采用此方法時應注意，內置型鋼鋼骨同時會使得深受彎構件的抗彎強度大幅增高，剛度增大使得構件變形減小，影響構件的破壞形態(tài)及整體結構的分析結果，因此對結構塑性耗能構件使用內置鋼骨的方法解決抗剪問題，會使得罕遇地震下的破壞程度降低，彈塑性耗能減少，出現(xiàn)達不到性能目標水準、影響整體抗震性能的情況，應謹慎使用[4]。

3.8 其他方法

除上述幾種方法外，解決深受彎構件的抗剪截面和超筋問題，還可以通過減少平面外搭設次梁、避免樓板開洞（考慮樓板作為梁翼緣的有利作用）、次梁改為鉸接及利用主筋和腰筋抗剪等方法解決，在此不再贅述[5-11]。

4 總結

針對軌道工程高架站設計中經常遇到的深受彎構件受剪截面不足及計算超筋的問題，該文從工程經驗和公式原理出發(fā)，總結歸納出增加構件尺寸、優(yōu)化活荷載布置、優(yōu)化計算恒載、提高構件混凝土強度、采用集中對角斜筋或對角暗撐、用“雙連梁”等效替代、內置型鋼鋼骨及其他方法八個解決思路，并結合某實際工程，對其首層中跨蓋梁通過YJK計算軟件進行多次比對和嘗試。經過對比，內置型鋼鋼骨、減少荷載、提高尺寸和強度的思路效果最為明顯，但考慮到建筑使用功能和混凝土澆筑空間的制約，最終利用優(yōu)化活荷載布置、優(yōu)化計算恒載、提高混凝土強度、改變平面布置的方式解決了這一實際工程問題。

參考文獻

[1]孫闊. 鋼筋混凝土深梁受剪承載力與尺寸效應[D]. 大連：大連理工大學， 2014

[2]結構設計統(tǒng)技術措施（2018版）[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2018.

[3]田建勃， 王夢夢. 鋼板—纖維增強混凝土組合雙連梁抗震性能試驗研究[J]. 工程科學與技術， 2021（3）： 40-44.

[4]何忻煒， 鄭毅敏. 超高層建筑連梁抗剪截面不足問題的解決方法研究[J]. 結構工程師， 2012（3）： 16-22.

[5]劉青蘭. 城際軌道交通高架站站臺梁設計[J]. 橋梁結構， 2021（5）： 99-100.

[6]建筑結構荷載規(guī)范： GB50009—2012[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2012.

[7]混凝土結構設計規(guī)范： GB50010—2010[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2010.

[8]地鐵設計規(guī)范： GB50157—2013[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2013.

[9]建筑抗震設計規(guī)范： GB50011—2010（2016年版）[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2010.

[10]盈建科YJK軟件從入門到提高含實例[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2018.

[11]城市軌道交通工程技術規(guī)范[S]. 上海：同濟大學出版社， 2017.