梁柱節點剛域對工程設計的影響分析

孫 振 周

(南寧市建筑設計院，廣西 南寧 530002)

1 概述

梁柱節點區域剛度較大，變形較小，可視為一剛性區域考慮，即剛域。國內通用結構設計兩大軟件(YJK軟件和SATWE軟件)均可考慮剛域對工程結構設計的影響，但兩軟件對剛域長度的處理稍有不同。YJK軟件嚴格按JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程(以下簡稱高規)5.3.4條規定簡化梁端剛域及柱端剛域，即梁、柱計算長度及端截面位置均取到剛域邊，梁、柱端剛域可分別控制。不考慮剛域時計算長度及端截面均取到端節點。SATWE軟件在《高規》規定的基礎上對柱端剛域計算長度做了修正，梁端剛域長度按《高規》的規定，具體詳見文獻[2]。

《高規》中建議在結構整體計算中宜考慮梁柱節點區剛域的影響。在保證結構安全的前提下，可以適當減少梁端彎矩，從而減少配筋量。但部分設計、審查人員認為不宜考慮梁柱節點剛域的影響，特別是柱端剛域，這樣可以增加結構的安全儲備。

在實際工程設計中，連續梁內長短跨相間的結構比較常見，比如教學樓、學生宿舍、藝術中心等。長短跨梁線剛度差別較大，對剛域的敏感程度不同，因此如何正確處理梁柱節點剛域對結構整體計算分析尤為重要。本文以長短跨框架結構為例，用YJK結構設計軟件建模分析梁、柱節點剛域對結構的整體指標和高跨比不同的梁內力配筋的影響，并提出合理的剛域處理方法。

2 工程實例

南寧市某文化藝術中心，地下2層，地上9層的鋼筋混凝土框架結構，地上1層層高6 000 mm，其余層層高4 000 mm，總高度為38.200 m，如圖1，圖2所示。抗震設防烈度為7度(0.10g)，地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，抗震等級為二級。地下室頂板作為嵌固端，框架柱混凝土強度等級為C60～C25,梁板混凝土等級為C25。標準層恒荷載為1.5 kN/m2，活荷載為2.0 kN/m2，屋面荷載為4.5 kN/m2，活荷載為3.5 kN/m2。框柱截面尺寸為600 mm×600 mm，X向框架梁截面尺寸為250 mm×700 mm，Y向長跨框架梁為300 mm×700 mm，短跨框架梁為300 mm×400 mm，主要次梁截面尺寸為250 mm×600 mm。

3 分析結果

本文考慮四種模型對比分析，模型一：不考慮梁、柱端剛域；模型二：考慮梁、柱端剛域；模型三：僅考慮梁端剛域；模型四：僅考慮柱端剛域。對比分析在各模型下結構整體指標參數及梁彎矩、配筋。A梁截面高度為300 mm×700 mm，高跨比約為1/14，B梁截面高度為250 mm×700 mm，高跨比約為1/14，C梁截面高度為300 mm×400 mm，高跨比約為1/7。

3.1 剛域對整體指標參數的影響

表1 各模型下結構剛重比對比(地震作用下)

從理論分析可知，考慮梁、柱剛域后，梁、柱線剛度增大，使得結構整體剛度增大，從表1可知，YJK軟件計算結果與理論分析吻合。與不考慮剛域的模型對比，考慮剛域的模型剛重比均變大，其中同時考慮梁、柱剛域對結構剛重比影響最大，X向剛度增大11.5%，Y向剛度增大6.8%。僅考慮梁端剛域時對結構剛重比的影響與同時考慮梁柱剛域的影響比較接近，僅考慮柱端剛域時對結構剛重比影響相對較小。

表2 各模型下結構層間位移角對比(地震作用下)

表3 各模型下周期對比 s

從表2，表3的計算結果分析，與不考慮剛域的模型對比，考慮剛域的模型層間位移角、周期均變小，其中同時考慮梁、柱剛域對結構層間位移角、周期的影響最大，其次是僅考慮梁端剛域，僅考慮柱端剛域對層間位移角、周期的影響相對較小。

3.2 剛域對梁彎矩及配筋的影響

以模型第6標準層計算結果分析梁柱節點剛域對梁彎矩及配筋的影響，如表4，表5所示。

對比表4可知，在1.2倍恒載+1.4倍活載工況下，考慮梁柱剛域的A，B梁彎矩比不考慮梁柱剛域的彎矩均減少，而考慮梁柱剛域的C梁彎矩比不考慮梁柱剛域的彎矩均增加。這是因為考慮梁柱剛域效應后結構的整體剛度和內力會重新分配，跨高比小的梁比跨高比大的梁內力變化更敏感，隨著整體剛度的增大，梁端彎矩增大。跨高比小的梁考慮剛域效應的彎矩大于不考慮剛域效應的梁柱節點處的彎矩；而跨高比大的梁對梁端彎矩取值點更敏感。從表5各模型下梁配筋值也可論證考慮梁柱剛域效應導致整體剛度的增加對不同跨高比梁配筋的影響。

表4 各模型在1.2恒載+1.4活荷載下彎矩對比 kN·m

表5各模型配筋對比 cm2

4 結論及建議

本文通過是否考慮梁柱節點剛域對結構整體指標參數及梁內力配筋的影響，得出以下結論和建議：

1)梁端剛域對結構剛重比、層間位移角及周期的影響比較顯著，柱剛域影響相對比較小。建議實際工程計算框架結構整體參數指標時需考慮梁端剛域的影響。

2)梁柱剛域對不同跨高比梁的內力及配筋影響不同。考慮梁柱剛域后結構整體剛度增大，內力重新分配，使得跨高比小的梁彎矩配筋增大，跨高比大的梁彎矩配筋減小。因此不能忽略梁柱節點剛域對構件內力及配筋的影響，在保證結構安全的前提下，建議宜同時考慮梁柱節點剛域，特別是帶有長短跨的框架結構。