高層建筑寬扁梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討

李嘉

【摘 要】本文以高層建筑寬扁梁結(jié)構(gòu)作為研究對象，從基本概念出發(fā)，系統(tǒng)闡述了寬扁梁與普通混凝土梁框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計異同，最后對高層建筑寬扁梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)要點進行了總結(jié)建議。

【關(guān)鍵詞】 寬扁梁 結(jié)構(gòu)設(shè)計 探討

前言

隨著社會經(jīng)濟的日益進步和人們生活水平的不管提高，越來越多的人對各種建筑的使用要求也日益提高。從結(jié)構(gòu)角度上講，一般來說，在各項計算指標滿足規(guī)范要求的前提下，適當(dāng)減小框架梁的高度不但有利于提高房屋的凈高，提升建筑品質(zhì)，而且還有利于強柱弱梁，強剪弱彎設(shè)計目標的實現(xiàn)，有利于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此，采用科學(xué)合理的設(shè)計方法，不斷完善高層建筑寬扁梁結(jié)構(gòu)設(shè)計就成為當(dāng)前一項十分有意義的課題。

一、高層建筑寬扁梁布局的概述

在現(xiàn)代高層建筑中，結(jié)構(gòu)總高度受到諸多條件的限制，運用鋼筋混凝土寬扁梁結(jié)構(gòu)能夠有效地降低層高，從而降低建筑物的總高度，減小由風(fēng)作用和地震作用，降低抗震措施要求，節(jié)約工程投資并降低施工難度。因此在高層建筑中運用寬扁梁結(jié)構(gòu)形式得到工程界的日益重視。由于寬扁梁截面的寬高比較大，梁寬大于柱寬，寬扁梁布局在風(fēng)荷載和地震作用下，其梁柱節(jié)點的受力機理較為復(fù)雜，當(dāng)前尚缺少這類結(jié)構(gòu)形式相對系統(tǒng)有效的設(shè)計方法。

二、寬扁梁與一般梁框架布局的比較

1.基底剪力

達到同一側(cè)移時寬扁梁框架布局所需的水平力小于一般梁布局，且寬扁梁框架布局模型的基底剪力小于一般梁框架布局，可見其剛度小于一般梁布局，即寬扁梁布局柔于一般梁布局。

2.梁柱鋼筋應(yīng)力

寬扁梁比一般梁布局更能實現(xiàn)強柱弱梁的破壞形式，因此對于采用強柱弱梁的原則進行結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化時，若一般梁框架布置符合該原則時，則相同剛度下寬扁梁布局亦能符合此原則，即一般梁布局的優(yōu)化方法適用于寬扁梁布局。

3.裂縫的發(fā)生

首層結(jié)構(gòu)的混凝土受拉裂縫寬度比頂層大，由底部剪力法可算出基底剪力為其上部各樓層剪力之和，因此底層出現(xiàn)的剪切破壞最大，頂層損害最小。對一根梁而言，負彎矩端的裂縫位于上方與樓板相連處，且與梁相連的樓板處也會出現(xiàn)開裂，而正彎矩端的裂縫則位于梁截面的下方。

4.樓板鋼筋應(yīng)力

當(dāng)樓板寬度到達一定數(shù)值后，各跨板筋應(yīng)力趨于陡峭，該寬度范圍之外的板鋼筋可視作不出現(xiàn)負彎矩，將該處的樓板寬度值視作板面鋼筋應(yīng)力曲線的過渡點，該數(shù)值為確定寬度提供了一個重要依據(jù)。

5.適用性

寬扁梁結(jié)構(gòu)在某些特定建筑中具有良好的適用性，主要因為寬扁梁的受力特性在很多時候和一般框架梁類似。也就是說，寬扁梁在實際運用中的布置規(guī)則基本和普通框架梁是相同的。但在具體工程中寬扁梁受力特點和普通框架梁又有很多的不同。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）第6.3.2條規(guī)定：采用扁梁的樓、屋蓋應(yīng)現(xiàn)澆，梁中心宜與柱中線重合，扁梁應(yīng)雙向布置。扁梁不宜用于一級框架結(jié)構(gòu)。注意限制在一級框架結(jié)構(gòu)中的使用，對其他抗震等級的框架結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)體系，如框架-抗震墻結(jié)構(gòu)，框架-核心筒結(jié)構(gòu)，板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)中的框架未提及限制要求，有條件應(yīng)考慮規(guī)范的本條或適當(dāng)控制扁梁截面高度使其不致于“在扁”。

三、高層建筑寬扁梁設(shè)計的一般要求

1.寬扁梁的截面要求

寬扁梁和一般梁的區(qū)別，主要就是根據(jù)寬扁梁的截面尺寸來區(qū)分它們。寬扁梁的定義：當(dāng)bh≥hb時的梁稱為寬扁梁。其中bh為梁的截面寬度，hb為梁截面高度。混凝土寬扁梁的梁高宜取計算跨度的l/16-1/22，對于預(yù)應(yīng)力混凝土寬扁梁的梁高宜取計算跨度的l/20-1/25，跨度較大者則取較大值。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）第6.3.2條規(guī)定：bh≦2bc； bh≦bc+ bh； hb≥16d； bc為柱截面寬度，圓形截面取柱直徑的0.8倍，d為柱縱筋直徑。同時，寬扁梁的截面高度不宜小于2.5倍板的厚度；寬扁梁的截面寬高比bh/bh 不宜超過3；寬扁梁邊框架的邊梁寬度不宜大于柱寬（柱垂直于邊框方向的截面尺寸）。

2.寬扁梁的剛度調(diào)整系數(shù)

高層建筑常選用現(xiàn)澆混凝土樓蓋系統(tǒng)，在水平荷載效果下，經(jīng)過框架梁和現(xiàn)澆板的抗彎來束縛柱端的轉(zhuǎn)動。混凝土板可作為扁梁的翼緣增加其截面剛度。在進行框架整體結(jié)構(gòu)分析時，常用的軟件是先按照框架梁的矩形截面進行剛度計算，在剛度調(diào)整時，設(shè)計人員再通過剛度調(diào)整系數(shù)進行放大（中梁用2.0，邊梁用1.5）。這對一般梁而言是相對精確的，但對寬扁梁不宜用一個抽象的1.5或2.O的系數(shù)來調(diào)整擴大。目前軟件如SATWE、PMSAP等能實現(xiàn)對T型梁截面剛度的精確計算，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時首選按實際T型截面計算梁的剛度，這樣更能符合建筑物實際的受力狀態(tài)。

3.寬扁梁配筋

寬扁梁交叉處雙向布置，縱向扁梁在柱上有交聯(lián)，與柱子構(gòu)建成一個拓展的基座，鋼筋布置合理，寬扁梁就能夠使用此拓展的基座，把負載全部轉(zhuǎn)嫁到柱子的截面上，所以寬扁梁節(jié)點區(qū)域能夠視為梁的基座。梁縱向鋼筋在支座區(qū)域內(nèi)的錨固與連接都應(yīng)依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）中對普通框架梁的要求，其中柱截面寬度外側(cè)的梁底鋼筋的布置，應(yīng)當(dāng)貫穿布置或根據(jù)受拉鋼筋的要求進行錨固。寬扁梁宜有3/4的縱向受力鋼筋在柱核心區(qū)穿過或錨固。

4.寬扁梁的梁柱節(jié)點核心區(qū)布局要求

（1）節(jié)點核心區(qū)水平抗剪箍筋的設(shè)置

節(jié)點核心區(qū)水平抗剪箍筋除了在柱寬范圍內(nèi)要按照規(guī)范構(gòu)造規(guī)定和計算結(jié)果進行配置，還需要在外部重點區(qū)域進行配置。

（2）節(jié)點外部重點區(qū)抗扭縱筋設(shè)置

當(dāng)雙向?qū)挶饬毫焊咭粯訒r，需按照計算結(jié)果增加相應(yīng)的抗扭縱筋；當(dāng)雙向?qū)挶饬旱牧焊卟灰粯訒r，可在低寬扁梁外部重點區(qū)域底端設(shè)置開口向上的開口箍筋，方便底部抗扭縱筋錨固；若僅為單向?qū)挶饬簳r，可利用設(shè)置在節(jié)點核心區(qū)的封閉箍筋。

（3）節(jié)點核心區(qū)外部豎向抗剪拉筋設(shè)置

寬扁梁節(jié)點核心區(qū)外的重點區(qū)域內(nèi)要放置豎向抗剪鋼筋，它的作用在于增強抗剪能力，并且能夠固定柱寬范圍以外的重點區(qū)的寬扁梁的縱向鋼筋。

5.寬扁梁的裂縫及撓度驗算

一般寬扁梁的配筋都相對比較大，由強度控制的梁，如果配筋率較大時，則裂縫和撓度都較難滿足。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）6.3.1明確規(guī)定：在梁高較小或采用扁梁時，除應(yīng)驗算其承載力和受剪截面要求外，尚應(yīng)滿足剛度和裂縫的有關(guān)要求。裂縫寬度的計算按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）的7.1相關(guān)規(guī)定。鋼筋混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度可按荷載的準永久組合并考慮長期作用影響的效應(yīng)計算，預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度可按荷載的標準組合并考慮長期作用影響的效應(yīng)計算。撓度計算按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）的7.2相關(guān)規(guī)定。

四、結(jié)語

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用寬扁梁結(jié)構(gòu)，梁的自重增加，剛度較小，對結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的貢獻也較小，相應(yīng)地會加大框架柱或剪力墻的負擔(dān)，框架柱或剪力墻還有框架梁的配筋也較大，一般情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性較差，但房屋的綜合經(jīng)濟指標可能較好，實際是以犧牲結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟指標換來房屋的整體經(jīng)濟指標的改善。結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的主要任務(wù)是運用科學(xué)的方法，選用既滿足建筑使用功能同時又經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)布置形式，相信諸如寬扁梁之類的結(jié)構(gòu)形式在特定建筑中的運用會越來越成熟。

參考文獻4 K0 s& r+ B7 q7 e- x8 T： O' c， p5 i4 T

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[3].高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2010）

[4].高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程應(yīng)用與分析（JGJ3-2010）朱炳寅著