附加彎剪構件在大跨度混凝土結構中的設計與應用

張繪軍 王同果 石玉仁 都愛華

(1.山東建大建筑規劃設計研究院，山東 濟南 250001； 2.山東建筑大學，山東 濟南 250001)

1 工程概況

某大學兩教學單體之間在端部設置連廊，作為建筑單體之間人員交流、聯系的通道。層數4層，長度34.8 m(中間梁凈跨為30.800 m)，底層中間不設立柱，連廊底部作為消防通道，需滿足4.2 m凈高要求。考慮施工進度、使用維護等原因，業主要求采用普通鋼筋混凝土結構方案。又因考慮到施工難度及建筑外觀效果，業主不允許使用帶斜桿的混凝土桁架結構。

2 結構方案

2.1 總體方案

因結構跨度大，普通鋼筋混凝土梁強度、裂縫、撓度等難以滿足要求。在多層梁之間設置附加彎剪構件，能夠減小梁的彎矩峰值，改善內力分布，施工工藝簡單，綜合考慮采用附加彎剪構件梁方案[1-4]。原設想此連廊框架梁與兩側主體結構剛性連接，成為一體，整體穩定性好，但形成U形平面布局，造成平面不規則，應力復雜。經有限元內力分析比較，連廊與兩側主體設置抗震縫脫開，獨立設置，這樣受力明確，但連廊成為雙向單跨框架，抗震不利，為此在連廊梁端設置鋼筋混凝土筒體，增強結構抗震性能，以滿足規范要求。最終結構方案連廊立面、平面布置圖及工程建成后的實際效果圖，見圖1～圖3。

2.2 附加彎剪構件梁方案

1)彎剪桿布置：在附加彎剪構件梁體系中，彎剪桿的主要作用是調節梁彎矩，降低梁內正負彎矩的峰值，使梁上的峰值彎矩趨于均衡，彎剪桿主要承受的內力為彎矩和剪力，調節幅度的大小可以通過調整彎剪桿的位置、數量、剛度來確定。理論研究表明，彎剪桿布置在梁最大轉角位置時對梁彎矩調節能力最大，即在0.2L,0.8L處[3]，因本工程跨度較大，在兩端各設置兩根彎剪桿，并使兩根彎剪桿的水平距離中心點盡量在梁最大轉角附近，經彎剪桿不同的布置位置及截面尺寸試算，根據計算結果并考慮建筑功能要求，確定彎剪桿布置位置。在實際中不同的工程設計時，可以根據實際的跨度來確定剪彎桿的數量和位置。

2)構件截面尺寸確定：彎剪桿主要承受順梁縱向方向的彎矩與剪力，設置為寬扁形，根據試算時設置的位置及較為理想的調幅大小，彎剪桿尺寸取值500 mm×1 200 mm；梁按中間最大跨度的1/10～1/18取值，尺寸600 mm×850 mm。

3)計算分析?；緟担涸O防烈度7度(0.1g)，抗震等級三級，基本風壓0.45 kN/m2，場地類別Ⅱ類。

根據SAP2000計算制作的模型試驗表明[1]：梁端跨首先出現裂縫，結構的破壞首先發生在計算分析的梁的峰值處，破壞順序與計算結果相吻合，用現行的桿件分析理論研究該結構形式有相當的適應性。

本工程采用Satwe,SAP2000,盈建科等多種不同力學模型軟件分別進行計算對比分析，各主要截面內力峰值見表1(取其中一榀框架梁)。

表1 各主要截面內力峰值表(二層) kN·m

各主要截面彎矩見表2(取其中一架框架梁截面1—1,2—2,位置見圖1)。

不帶剪彎桿的普通框架：正彎矩：2 711 kN·m,負彎矩:3 342 kN·m(二層)。

表2 各主要截面彎矩表(二層) kN·m

從以上內力對比分析可見：a.增加剪彎桿后的空間受力模式能使梁上出現多個峰值點，同時大幅度降低框架梁的內力幅值，從而實現大跨度的可能性。b.各計算程序不同力學模型框架梁的峰值內力與峰值內力的位置及各主要斷面內力計算結果基本相近，誤差在5%以內,同SAP2000的計算數據及試驗數據相吻合，說明現行的各計算軟件能夠準確的計算其內力數據[1]。c.因正彎矩峰值的降低，使結構的撓度計算滿足規范要求(帶剪彎桿的框架梁的計算撓度值為82 mm，而普通框架梁的撓度值為186 mm)。d.從各軟件的內力計算結果發現加剪彎桿的框架梁產生較大的軸向拉力，此結果同SAP2000的計算結果及相應的試驗數據相吻合。e.整個結構的受力較大處出現在兩個邊跨各層梁的兩端，也就是在梁的峰值處(梁柱節點處)，這和試驗的結果完全一致[1]。

剪彎桿對彎矩的調節作用見圖4～圖6。

4)設計采取的加強措施。

a.抗震設計：因結構規則性較差，跨度較大，且實際工程經驗較少，為增強結構的抗震性能，地震作用計算時加速度提高至0.15g，抗震等級提高至二級，且與0.1g時的中震彈性包絡設計。

b.抗傾覆設計：結構橫向尺度較小，重視抗傾覆設計。計算指標滿足抗傾覆驗算，基底不出現零應力區，還適當加大基礎埋深，并與兩側主體基礎連為一體，增強抗傾覆能力。

c.強柱弱梁設計：兩端混凝土筒體遠大于水平梁抗彎能力，容易滿足要求。對于剪彎桿與梁相交節點，則應按強梁弱柱設計[2,4]，可按《抗規》6.2.2條設計，使節點兩側的梁彎矩設計值之和大于節點上下剪彎桿彎矩設計值之和的1.2倍。程序不能自動實現，需人工復核。以達到剪彎桿兩端→梁→柱(筒體)屈服順序，形成良好的破壞機制。

d.梁構造加強：理論計算表明，彎剪桿的設置并不能調節梁的剪力，梁剪力依舊較大；實驗表明，邊跨梁是易破壞的危險區段。因此，設計時采取梁水平加腋的方法增加梁的抗剪承載力，并在端部兩跨全長箍筋加密，同時適當增加邊跨梁的縱筋配置，增強抗彎承載力。

e.經有限元理論計算，彎剪桿的設置使梁產生較大的拉力[4]，因此框架梁應按拉彎構件進行驗算設計，并適當增加梁的上部通長鋼筋。

f.彎剪桿及節點的設計：彎剪桿受力不同于柱，其軸力較小，主要承受彎矩及剪力，因此彎剪桿按受彎構件考慮，對于彎剪桿計算跨度L0與桿截面的高度h之比小于5的情況還應按深受彎構件進行承載力復核。彎剪桿的縱筋錨入梁內，并滿足抗震錨固長度，梁箍筋配置貫穿桿、梁節點，節點內不需配置彎剪桿箍筋，見圖7。

g.撓度控制：通過適當增加樓板厚度、提高梁縱筋配筋率及混凝土強度等級等措施加大梁的剛度，并在施工過程中預先起拱使計算撓度滿足規范規定。

3 施工注意措施

1)本方案措施因考慮空間整體分析，在進行支撐架設計時，應考慮四層結構作為一個整體進行荷載計算，高支模施工須編制完善的專項施工方案，進行詳細的節點設計及受力驗算。

2)拆模順序：計算模型為一次性成剛計算，因此施工時應主體全部完工后待強度達到100%后才能拆除模板，且拆除順序為從頂往底。

3)施工時應考慮結構起拱，起拱值應與設計單位進行溝通，不宜超出構件在相應荷載組合作用下的計算撓度值。

4 結語

1)設置彎剪桿能夠降低梁的彎矩峰值，此結構體系具有良好的破壞機制，適用于較大跨度的結構。常用分析軟件如Satwe,SAP2000、盈建科等結構計算軟件適用該結構類型的分析。

2)剪彎桿的布置位置、剛度和數量影響梁的內力峰值，實際工程應結合建筑功能要求進行多方案比較。

3)彎剪桿的設置調低了彎矩峰值，再輔以增大配筋、適當加大梁翼緣厚度(板厚)、提高混凝土強度等級等措施，計算撓度滿足規范要求。本工程只是采取了施工時預起拱的措施減小撓度變形，目前工程施工完成并投入使用已兩年，變形滿足預期。但長期變形情況有待進一步觀察。有條件時應采取施加預應力等措施。

4)本結構形式并不能調節梁的剪力，邊跨梁依然是易破壞的危險區段，在設計中應采取有效措施適當增加梁的抗剪承載力儲備，滿足強剪弱彎的基本概念設計。

5)本工程于2016年已投入竣工使用，取得了良好的使用效果。

[1] 謝 群，張 鑫，趙考重,等.綴板梁結構在豎向荷載：下承載力的試驗研究[J].山東建筑工程學院學報,2003(6)：18.

[2] 范夕森，賈 強.大跨度腹板柱轉換結構的內力分析及應用[J].四川建筑科學研究,2009(1):35-37.

[3] 趙玉星，孟曙光.設置附加剪彎桿的大跨度框架結構[J].山東建筑工程學院學報,2000(9):15.

[4] 趙玉星，韓克勝.設置附加剪彎桿的大跨度框架及其設計[J].工業建筑,2001，31(7):77-78.