寬扁梁結構設計研究

姚春燕

(中科建(北京)建筑規劃設計有限公司，北京100037)

隨著高層建筑的發展,建筑功能需求的多樣化, 在城市規劃限制房屋總高度的條件下，樓層高度受到了很大的制約。而包括信息化、智能化等現代技術的管線設施的增加又占據了建筑凈空的高度。因此結構梁高直接影響建筑物的總高度及其抗側力效應。在此形勢下,寬扁梁在現代建筑結構設計中得到了越來越多的應用。

1 寬扁梁概述

普通矩形截面梁的高寬比h/b一般取2.0～3.5；當梁寬大于梁高時，梁就稱為扁梁；梁的寬度大于矩形柱的截面尺寸，大于圓形柱直徑的80%稱為寬扁梁。寬扁梁樓蓋體系是介于普通的梁板體系和無梁樓蓋體系的一種過渡形式，兼顧了二者的優點：與無梁樓蓋一樣可減小結構高度所占的空間，又與普通梁板體系一樣布置靈活，升、降板、開洞方便，同時減少了樓板的跨度，有利于保證結構具有一定的剛度和延性。寬扁梁可分為雙向寬扁梁和單向寬扁梁兩種基本類型。

1.1 理論依據

現行《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3-2010)第6.3.1條規定[1]框架結構的主梁截面高度可按計算跨度的1/10～1/18確定。與舊規范相比(框架主梁的截面高度為計算跨度的1/8～1/12),現行高規對梁高的要求已作了較大的放寬，同時在第6.3.1條的條文說明里，比較了國外規范和總結了國內已有的工程經驗，明確了調整的依據及可靠性。當設計有可靠依據且工程上有需要時，梁的高跨比還可小于1/18。當梁高較小或采用扁梁時，除應驗算其承載力和受剪截面要求外，尚應滿足剛度和裂縫的有關要求。在計算梁的撓度時，可扣除梁的合理起拱值；對現澆梁板結構，宜考慮梁受壓翼緣的有利影響。

現行《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)第6.3.2條規定[2]采用梁寬大于柱寬的扁梁時，樓、屋樓蓋應現澆，梁中線宜與柱中線重合，扁梁應雙向布置，且不宜用于一級框架結構。扁梁的截面尺寸應符合下列要求，并應滿足現行有關規范對撓度和裂縫寬度的規定：

bb≤2bc

bb≤bc+hb

hb≥16d

式中：bc為柱截面寬度，圓形截面取柱直徑的0.8倍；bb、hb分別為梁截面寬度和高度；d為柱縱筋直徑框架結構。

現行《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)第6.3.4條規定梁端縱向受拉鋼筋的配筋率不宜大于2.5 %，與舊規范相比最大配筋率由強制性改為了非強制性，但提高了梁的縱向受力鋼筋伸入節點的握裹要求。

對于寬扁梁的設計，除了抗震規范對其斷面有規定，相關規范并沒有詳述的細則。

1.2 相關研究成果

從20世紀90年代開始，寬扁梁結構設計就成功地應用于建筑設計中，國內外多家研究機構也結合工程的具體情況，進行了系列的實驗及計算分析研究。這些大量的計算分析及實驗研究表明：寬扁梁跨中截面符合應變平截面假定，符合力學中關于梁截面的正應力及剪應力的相關假定；而在支座附近，由于支座效應的影響，截面有應力應變集中的現象——內核心區的縱筋應變大于外核心區的縱筋應變，內核心區的剪力筋應變大于外核心區的剪力筋應變。

在靜載和低周反復荷載作用下梁發生彎曲破壞節點試驗中，到達極限荷載時，節點附近過內核心區的縱筋先屈曲；加大荷載，縱筋屈曲滲透，塑性區擴展，其它部分縱筋逐漸進入。

在節點剪切破壞(梁強化彎曲破壞滯后)的節點試驗中，節點在梁柱的彎矩、剪力及柱軸力作用下處于復雜應力狀態，剪應力分布相當復雜，由于內核心區受到柱及外核心區的有效約束，裂縫主要發生在外核心區，破壞區域基本在節點外核心區。

在寬扁梁空間框架整體模型的試驗中，考慮整澆樓板的協調工作作用，寬扁梁整體框架結構較普通梁框架結構相比，其裂縫分布發展更為均勻，支座有先于跨中屈曲的趨勢，使之先于跨中出現塑性鉸，達到強柱弱梁的要求，其延性優于普通梁樓蓋。

寬扁梁的延性和變形能力較好,只要設計、構造措施得當,同樣具有良好的抗震性能：(1)寬扁梁容易實現“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱桿件”的抗震設計理念。(2)寬扁梁改善了節點的延性。寬扁梁框架節點破壞實驗表明,節點外核心區破壞之后,節點內核心區才破壞,從而增加了抗震防線,節點的變形能力得到了提高,延性得到了改善。(3)外核心區箍筋、抗剪筋及混凝土使內核心區混凝土受到約束,使得核心區混凝土抗剪強度提高。

2 寬扁梁的經濟性

梁的配筋率是相對于梁截面面積而言的。普通梁的經濟配筋率一般在0.6%～1.2%，做到經濟配筋率，則結構的經濟成本和建筑需求就能做到最優的結合，同時施工上也不會有任何難題。需要指出的是，經濟配筋率是針對普通截面梁的。如果是寬扁梁，雖然名義上的計算配筋率還在0.6%～1.2%之間，但是早已失去了經濟配筋率的原始意義。因為配筋率雖小，但是實際配筋量是很大的，所以對于寬扁梁來說，配筋率是沒有多少實質性的參考意義。就單純的以梁的含鋼量而言寬扁梁是不經濟。采用相同斷面積，寬扁梁比普通梁慣性矩小，承載力低且撓度大，在滿足相同承載力的前提下，一般配筋量要稍多一些。

筆者認為，在高層建筑物高度一定的情況下，寬扁梁結構可以取得更多的建筑面積。整體的經濟性是有明顯優勢的。

另一方面，即便是沒有限高的要求，如果要取得相同的建筑面積，滿足相同的室內凈高，高層建筑采用普通梁板體系勢必比采用寬扁梁結構要高出許多，由此將導致風荷載和地震作用都加大，水平荷載下的結構反應也將大大增加。如在風荷載作用下，建筑物頂點側移與其自身高度的四次方成正比，無形中加大了頂部位移；而傾覆力矩是與自身高度的平方成正比，無形中也加大了傾覆力矩。另外，結構豎向構件、電梯、墻飾面、設備豎向管線和其他一些服務設施的費用也都會相應增加。如用于地下室部分，除了可以減小主體結構豎向構件、電梯、設備豎向管線和其他一些服務設施的費用外，還可以減少土方開挖量、支護結構高度、排水深度等相關施工費用?；谶@些原因，寬扁梁在實際高層建筑結構設計中是有著廣闊的應用前景的。

3 寬扁梁的設計建議及注意事項

目前國內大多數設計院通用的pkpm系列程序中，并未單獨考慮寬扁梁的受力特點，在用SATWE程序計算過程中可發現寬扁梁的計算結果一般不會有異常。SATWE程序在計算時，一般是按一級框架梁受壓區高度不能超過0.25，二、三級不能超過0.35，只對計算配筋進行受壓區高度和配筋率的驗算。而寬扁梁的配筋，經常由裂縫或撓度控制。在對寬扁梁的裂縫進行大量的計算后發現，一般由強度控制的梁，如果配筋率較大時，則裂縫寬度難以滿足。根據筆者經驗，當配筋率達到2%左右時，就應特別注意裂縫問題。寬扁梁設計中節點設計是關鍵，節點外核心區抗扭是寬扁梁的核心所在，故應重視并單獨設計。

3.1 設計建議

3.1.1 寬扁梁的截面限制條件

考慮梁剛度、節點延性、外核心區受力合理，樓板應現澆，寬扁梁中心宜與支座中心重合，其截面限制條件為：

梁高：hb≥L/25hb≥16d

梁寬：bb≤2.5hbbb≤2.5bc

梁高寬比：bb/hb≤3

式中：L為梁跨度；d為縱筋；bc為支座寬度。

3.1.2 寬扁梁正截面受彎承載力、斜截面受剪承載力、剛度、裂縫計算

離開柱邊0.5bb范圍，可認為梁端彎矩按梁寬均勻分布；離開柱邊1.0bb范圍，可認為剪應力按梁寬均勻分布[3]。其計算同普通混凝土梁，取寬扁梁全截面計算，其抗彎承載力、受剪承載力以及正常使用極限狀態的裂縫、撓度均按現行《混凝土結構設計規范》(GB 50010-2010)進行設計。

3.1.3 寬扁梁的節點設計

寬扁梁節點的內核心區與常規節點相似，構件的內力可按傳統的彈性力學分析方法求的，得出的節點區全截面水平剪力和豎向剪力可作為寬扁梁柱節點區全截面水平剪力和豎向剪力。對于寬扁梁柱節點，隨著寬扁梁寬度的增加，內核心區所承擔的梁端彎矩相對減小，內核心區的水平剪力也相對減小，外核心區所承擔的梁端彎矩相應增大，使得外核心區的水平剪力也相對增大。

隨著計算機技術的迅速發展，有限元分析方法也快速發展并廣泛運用于節點分析中[4]。結合有限元計算分析，寬扁梁節點的內核心區水平受剪承載力計算，設計建議：

(1)

外核心區水平抗剪筋可利用腰筋貫通及附加另向水平拉結筋構成。對于外核心區水平抗剪筋的計算，結合有限元計算分析及各機構的研究成果，設計建議：

(2)

其余符號同前。

外核心區豎向抗剪筋計算：寬扁梁節點外核心區由于沒有柱的有效約束，須配置豎向抗剪筋以滿足其豎向剪力的要求。有限元計算分析表明：豎向剪力的大小與多個因素有關，計算復雜，數據離散。通過多個實際工程的驗算，對工程上常用的構件尺寸的寬扁梁柱節點，外核心區的豎向抗剪筋大于或等于φ10@100時，其豎向受剪承載力一般可滿足。對特殊的或重要的寬扁梁柱節點，需通過精確的有限元計算，對外核心區的豎向抗剪筋進行設計。

外核心區受扭承載力計算：節點外核心區截面扭矩等于梁端截面彎矩在外核心區上的分配彎矩，考慮外核心區對內核心區的有效約束是節點抗剪承載力貢獻的重要部分，寬扁梁節點外核心區扭矩設計值可利用如下計算確定。

一級抗震等級:

MT=1.05∑Mbua(bb-bc)/(2bb)

二、三級抗震等級和非抗震設計：

MT=1.05∑Mb(bb-bc)/(2bb)

式中:∑Mbua為框架節點左右寬扁梁梁端同一時針方向按實配鋼筋計算的正截面抗震受彎承載力之和；∑Mb為框架節點左右寬扁梁梁端最不利彎矩設計值之和，左右端彎矩同一時針方向時相加,反之相減；其余符號同前。

寬扁梁節點的受扭承載力計算公式、受扭縱筋、箍筋的配置、截面限制條件均按現行混凝土結構設計規范執行。

3.1.4 寬扁梁的構造要求

寬扁梁構造要求[3]：雙向寬扁梁梁高不等時,梁高大者截面貫通節點區；寬扁梁梁端截面宜有50%～65%的縱向受力筋過柱且可靠錨固在內核心區，其百分率按bb/bc取值，其余的縱向鋼筋可均勻分布于梁寬范圍內；寬扁梁縱向鋼筋在支座區的錨固搭接均可按現行混凝土結構設計規范規定執行,其中,中支座外核心區內寬扁梁底部縱向鋼筋宜貫通或按受拉鋼筋搭；梁端箍筋加密區長度取值：一級抗震等級，max(2hb，500 mm，bb)，二、三級抗震等級和非抗震等級，max(1.5hb，500 mm，bb)；寬扁梁兩側腰筋≥2φ12，間距≤200 mm；寬扁梁箍筋肢距≤300 mm,間距≤200 mm,加密區間距≤150 mm；寬扁梁縱向鋼筋含鋼率≥0.3%,縱筋間距≤100 mm，縱向鋼筋宜單層放置。

寬扁梁節點構造要求：

(1)框架節點核心區水平抗剪箍筋配置：寬扁梁框架節點核心區水平抗剪箍筋除在內核心區柱內按現行混凝土結構設計規范要求設置外，還應在外核心區周邊設置，其構造要求為：

一級抗震等級≥φ12@100

二、三級抗震等級和非抗震等級≥φ10@100

雙向寬扁梁節點可利用寬扁梁腰筋雙向貫通構成，單向寬扁梁節點可利用寬扁梁腰筋貫通附加另向水平拉結筋構成。

(2)框架節點外核區抗扭縱筋配置：雙向寬扁梁梁高相等時，宜通過按計算要求增加框架梁縱向鋼筋構成；雙向寬扁梁梁高不等時，可在矮寬扁梁方向外核心區底部加設朝上開口箍筋構成底部抗扭縱筋；單向寬扁梁時，可通過設置節點核心區附加封閉箍筋構成(形式上相當于寬扁梁箍筋延伸進節點核心區)。采用附加封閉箍筋形式時，其構造要求為：

一級抗震等級≥φ12@100

二、三級抗震等級≥φ10@100

非抗震等級≥φ8@100

(3)框架節點外核心區周邊抗扭封閉箍筋配置：按計算要求通過附加外核心區角部垂直拉筋與節點外核心區寬扁梁縱向鋼筋焊接或搭接構成。附加垂直拉筋的構造要求為：

一級抗震等級≥φ12@100

二、三級抗震等級≥φ10@100

非抗震等級≥φ8@100

(4)框架節點外核心區垂直抗剪箍筋配置：寬扁梁框架節點外核心區內部還應設置垂直抗剪拉筋作抗剪箍筋，勾住進入外核心區的寬扁梁縱向鋼筋并與之綁扎，其構造要求為：

一級抗震等級≥φ10@100

二、三級抗震等級和非抗震等級≥φ8@100

3.2 設計注意事項

3.2.1 寬扁梁的自重

由于寬扁梁的自重很大，設計人員在應用計算軟件導荷載時應考慮扣除梁板重疊部分的荷載及豎向構件與水平構件重疊部分的荷載。由于梁寬增加，還帶來梁柱節點區的構造問題，如果處理不當，節點處的鋼筋太多太密，施工困難，常常影響施工質量，所以要注重結合施工的操作性考慮節點配筋。

3.2.2 寬扁梁的翼緣寬度和剛度調整系數

當考慮板參與作用的T型截面，寬扁梁的有效翼緣寬度可?。?/p>

高層建筑常采用現澆混凝土樓蓋體系，在水平荷載作用下，通過框架梁和現澆板的共同抗彎來約束柱端的轉動。混凝土板可作為寬扁梁的翼緣增加其截面剛度。在進行整體框架結構分析時，常用的軟件是先取框架梁的矩形截面進行剛度計算，在剛度調整時，設計人員再根據是邊梁還是中梁用1.5或2.0剛度調整系數進行放大。這對常規梁而言還是比較準確的，但對寬扁梁不宜用一個籠統的1.5或2.0的系數來調整放大，該系數應通過計算確定。應根據具體工程現澆梁板的幾何尺寸，考慮板的參與作用，按前面給出的公式計算寬扁梁的有效翼緣寬度，計算T形梁截面慣性矩勢，計算剛度調整系數，不宜隨意取一個固定的值。

3.2.3 寬扁梁的樓板計算

寬扁梁的樓板計算在計算以寬扁梁為支座的混凝土板時，按雙向板彈性理論、剛性支承來計算寬扁梁結構的樓蓋體系是不盡合理的。梁與板的剛度比越小，則越向無梁樓蓋的受力狀態趨近，板承受彎矩的面積將向整個開間擴展，開間邊緣板帶所承受的彎矩會快速加大。如果設計人員仍按傳統的方法計算雙向板內力，并由此進行樓板配筋，是與樓板實際受力不符合的。常規雙向板的負筋長度每側取值是 L1/4(從軸線計算)，對一般的梁板體系，負彎距基本能包絡，但對寬扁梁，顯然是不安全的。其樓板每側負筋長度的合理取值宜取Ln/4+bb/2(Ln為板凈跨，bb為寬扁梁截面寬度)。

4 結論

寬扁梁在高層建筑中的運用可以大幅減少房間的死空間,改善室內環境。同時隨著研究的深入、工程經驗的積累，寬扁梁結構的設計與施工技術越趨成熟，保證了寬扁梁延性、變形能力等良好的抗震性能,有利于實現強柱弱梁、強剪弱彎等抗震設計，具有良好的綜合技術經濟效果。

[1] JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S]

[2] GB 50011-2010建筑抗震設計規范[S]

[3] 傅學怡.實用高層建筑結構設計[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2010:514-517

[4] GB 50010-2010混凝土結構設計規范[S]