結(jié)構(gòu)次梁布置對工程用料的影響研究

施夢瑩 SHI Meng-ying；張超則 ZHANG Chao-ze；施夢濤 SHI Meng-tao

（①河北建研建筑設(shè)計有限公司，石家莊 050000；②電聯(lián)工程技術(shù)股份有限公司，杭州 310016；③河北省建筑科學(xué)研究院有限公司，石家莊 050000）

0 引言

框架結(jié)構(gòu)的主次梁布置、截面選擇，大都依賴于設(shè)計師的實踐經(jīng)驗來確定。根據(jù)建筑對結(jié)構(gòu)的功能要求，按經(jīng)驗先確定結(jié)構(gòu)的材料和幾何尺寸，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析比較，最后確定方案。在這種設(shè)計方法中，大多數(shù)設(shè)計者以規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性，卻難以顧全結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性。[1]要想實現(xiàn)對建筑經(jīng)濟性的有效控制，就必須要從設(shè)計環(huán)節(jié)開始抓起，為了更明確地比較框架結(jié)構(gòu)次梁布置對工程用料的影響，通過對兩種次梁布置方式進(jìn)行對比分析，并結(jié)合實際工程案例探討各種方案的應(yīng)用性，為次梁的結(jié)構(gòu)布置方案選擇提供一定的數(shù)據(jù)支持。

1 工程概況

某住宅小區(qū)項目的臨街商業(yè)部分，該項目地上2 層，無地下室，建筑高度為8.45m，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，為多層公共建筑，基礎(chǔ)形式為柱下獨立基礎(chǔ)；本項目商業(yè)建筑面積不大屬標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類建筑；地震設(shè)防烈度：6 度（0.05g）；設(shè)計地震分組：第二組；建筑場地類別：Ⅲ類場地；框架抗震等級為三級；結(jié)構(gòu)設(shè)計工作年限50 年。建筑二層平面布置圖如圖1 所示，樓面活荷載取4kN/m2，屋面活荷載為0.5kN/m2。最大柱網(wǎng)間距為8.4m×6.0mm，柱截面選?、圯S上柱子截面為500mm×500mm、其余柱子截面450mm×450mm，邊框架梁截面為300mm×600mm，②軸上框架梁截面為300mm×600mm，次梁截面根據(jù)次梁結(jié)構(gòu)布置方式的不同而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。梁、柱、板、基礎(chǔ)混凝土強度均為C30 混凝、所用鋼筋均為HRB400 鋼筋。

2 次梁結(jié)構(gòu)布置方案

目前框架結(jié)構(gòu)中梁板式的布置形式有單次梁結(jié)構(gòu)、單向雙次梁結(jié)構(gòu)、十字梁結(jié)構(gòu)、井字梁結(jié)構(gòu)等方式。由于本項目中商業(yè)建筑功能布局的要求，在每個柱跨的邊緣部分都有樓梯間，使橫向次梁不能居于跨中，并且樓梯間貫穿整個柱跨，無法布置縱向次梁，所以由于建筑功能的限制，本項目不能做成傳統(tǒng)的十字梁結(jié)構(gòu)布置方式。雖然現(xiàn)在計算軟件可以用有限元方式精準(zhǔn)計算井字梁結(jié)構(gòu)，但是鑒于此項目功能僅為商業(yè)上部荷載并不大，開間也不算太大，不能充分發(fā)揮井字梁的優(yōu)勢，因此本項目也不考慮井字梁結(jié)構(gòu)的布置方式。

經(jīng)過一系列的比較，在眾多的梁板式結(jié)構(gòu)布置方案中，選取兩種比較適合此次項目的方案進(jìn)行更深入的系統(tǒng)比較，這兩個方案分別是單次梁方案、單向設(shè)置雙次梁方案（見圖2），并通過對比梁、板、柱的單位面積用鋼梁（kg/m2）、總用鋼量（kg）；梁、板、柱的混凝土工程量（m3）、總混凝土用量（m3），分析兩個方案各自的優(yōu)勢（見表1）。討論不同次梁布置方案下，梁、板的配筋具體用鋼量的差距，通過單個構(gòu)件用鋼量的比較，再綜合整個建筑物用鋼量的比較，從單構(gòu)件到整體的用鋼量的比較能較為直觀和系統(tǒng)地比較出兩個方案各自的優(yōu)缺點。從表1 的數(shù)據(jù)中就能判斷出如何選擇合適的次梁布置方案更為合理，再結(jié)合建筑的使用功能就可以選擇出更符合后期建筑功能使用要求的次梁布置方案。此項目的建模計算均采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件YJK V5.3.0 版本，兩個不同次梁布置方案的計算模型均采用的是相同的計算參數(shù)，此次研究僅針對次梁布置對工程用料的影響，所以其他計算指標(biāo)結(jié)果就不在此贅述。

表1 YJK 計算軟件分析計算統(tǒng)計結(jié)果

圖2 次梁布置方案

2.1 單次梁布置

單次梁布置方案中，沿著樓梯間的隔墻布置一道次梁，通過圖2 中的（a）圖可知，如果僅沿樓梯間布置一道次梁，會導(dǎo)致一側(cè)板WB1 跨度很大，從而導(dǎo)致所需板厚過大。依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》9.1.2 條中的板的跨厚比要求得，混凝土單向板不大于30。[2]本項目在僅設(shè)置一道次梁的情況下，WB1 按單向板考慮，選擇板厚為150mm；WB2 按雙向板考慮，選擇板厚為120mm。

單次梁方案結(jié)構(gòu)受力形式為非均勻受力，大部分力傳到次梁上和框架梁上，導(dǎo)致次梁在支座位置負(fù)彎矩很大。經(jīng)過YJK 計算軟件的計算分析，可知單次梁在支座位置所需鋼筋較多，并且單次梁方案中板的混凝土用量和鋼筋用量也很大。在YJK 計算輸出的工程量統(tǒng)計結(jié)果中顯示，雖然單次梁的結(jié)構(gòu)形式，單根次梁的梁支座位置負(fù)筋配筋相對面積較大，但是與雙次梁模型計算結(jié)果比較卻發(fā)現(xiàn)，在計算整個模型中單獨統(tǒng)計所有梁的鋼筋和混凝土用量時，單次梁模型中梁的總用鋼量為19184.217kg，混凝土工程量為142.763m3，雙次梁模型中梁的總用鋼量為20333.373kg，混凝土工程量為167.767m3，見表1。數(shù)據(jù)表明，在跨中布置兩道梁會減小主框架梁的彎矩，也能減小次梁所分擔(dān)的彎矩，但是由于柱跨內(nèi)梁的數(shù)量增加了，相應(yīng)梁所需的縱筋、箍筋、混凝土量也會增加。這時候就需要建立模型實際驗算不同柱跨的尺寸時候，哪種次梁布置方式更為節(jié)省材料。

從表1 中還能反應(yīng)出單次梁結(jié)構(gòu)中，由于次梁數(shù)目少，導(dǎo)致板的跨度會很大，相應(yīng)的板厚也會增大。板厚過大會有很多弊端，首先，板厚較厚會直接導(dǎo)致板內(nèi)配筋是由最小配筋率控制，不能充分發(fā)揮厚板的作用反而增加鋼筋用量；其次，樓板板塊過大，會產(chǎn)生塑性干縮裂縫，塑性收縮是硬化前的新拌混凝土在凝結(jié)過程中因表面水分蒸發(fā)而引起的干縮裂縫，常見于澆筑后混凝土構(gòu)件的外露表面，尤其是大塊板面。[3]在選用單次梁結(jié)構(gòu)布置時，需要注意采取措施避免混凝土板產(chǎn)生裂縫。還有，板厚增大了勢必會增加混凝土用量，增大上部結(jié)構(gòu)自重，這對基礎(chǔ)計算也會有一定的影響。

單次梁的布置方案優(yōu)點也很突出，例如在此次項目中，次梁的總數(shù)相對于多次梁結(jié)構(gòu)較少，在施工過程中梁所需模板數(shù)量也會減少方便施工，加快施工速度。單次梁結(jié)構(gòu)梁的數(shù)量較少，板格種類也會相應(yīng)減少，相應(yīng)鋼筋長度和放置間距種類也會減少，同樣也會加快施工速度。此項目是公共商業(yè)建筑，一個柱跨之內(nèi)只有一道次梁，使絕大部分使用空間的凈高很好，方便作為商業(yè)用房的裝修和使用。

2.2 單向雙次梁布置

單向雙次梁布置方案，把整個柱跨之間的板塊劃分為近似等分的3 塊單向板塊。最大板跨為2.0m，屬于單向板，板厚取100mm。通過YJK 軟件計算分析可知：由于柱跨中間分成了三個板塊，導(dǎo)致次梁上的荷載減小，次梁負(fù)彎矩位置所需鋼筋也較單次梁方案有所減少。

在YJK 計算輸出的工程量統(tǒng)計結(jié)果中顯示，雖然在單獨統(tǒng)計梁的用料一項中，雙次梁的優(yōu)勢不太明顯，但是在統(tǒng)計整個項目的鋼筋用量和混凝土用量中，雙次梁的優(yōu)勢還是很顯而易見的，具體數(shù)據(jù)見表1。雙次梁結(jié)構(gòu)的布置，可以把板塊分割得更小更均勻，減小板厚；由于板跨變小，單根次梁的負(fù)荷面積變小，使得單根次梁的負(fù)彎矩變下，相應(yīng)的負(fù)彎矩筋也變小，梁的受力模式更為合理；雙次梁還把梁上的承受集中力的模型改變?yōu)閮蓚€集中力的作用方式，對結(jié)構(gòu)②軸上框架梁的受力也有有利影響。

但是由于本項目中次梁跨度較大，次梁高度并不能減小很多，在已經(jīng)確定好層高的前提下導(dǎo)致戶內(nèi)使用空間的凈高無法提高，這是雙次梁布置在本項目中優(yōu)勢不太明顯的重要原因。由于雙次梁的布置方式使板塊跨度減小，板塊跨度變小相應(yīng)的樓板厚度也隨之減小。板跨變小樓板負(fù)荷面積變小，板底受力筋是最小配筋率控制，相較于單次梁模型板內(nèi)鋼筋含量大大減少。樓板厚度減小，結(jié)構(gòu)自重會相應(yīng)地減小，這對于基礎(chǔ)設(shè)計是有利的。

3 結(jié)論

綜上所述，在此項目中，單次梁布置方式優(yōu)點在于，次梁數(shù)目少，施工支模操作簡單，建成后空間使用凈高較高；雙次梁的布置方式優(yōu)點在于，增加次梁數(shù)目，減小板厚，結(jié)構(gòu)自重較小，總體混凝土和鋼筋用量少。單次梁結(jié)構(gòu)和雙次梁結(jié)構(gòu)都各有優(yōu)缺點，而且此項目規(guī)模較小，對于兩種方案的布置，對總造價影響并不突出，所以在實際項目中，需要根據(jù)建筑的具體使用功能和實際項目的實際規(guī)模來確定結(jié)構(gòu)方案布置。