四個建筑結構常見問題的探討

楊 亮

（亞瑞建筑設計有限公司湖南設計院，湖南 長沙 410000）

1 主次懸臂梁的設計

朱炳寅談到主次懸臂梁的設計，當不考慮結構的空間作用時，主懸臂梁內力偏小，設計應留有余地[1]。此條是手算時代的產物，目前，常規計算程序都可以考慮空間作用。張元坤、李盛勇亦建議框架懸臂梁應加強配筋[2]。

朱著中又提到“當考慮結構的空間作用時，次懸臂梁內力偏小，設計應留有余地。”從懸挑部分全受力過程的角度，此項建議似可探討。

懸挑部分在一跨內的總靜力彎矩：

其中：w—均布靜力荷載；Lx—懸挑長度；LY—縱向跨度。

當封口梁和懸挑部分板強度足夠傳力時，無論采用何種計算方法，主次懸臂梁的總靜力彎矩相同，即M主+M次=M0，懸挑部分總極限承載力相同，如能保證正常使用狀態下裂縫和撓度滿足要求，可允許內力進行重分布，只是受力狀態與彈性狀態不同。

第一階段，考慮結構的空間作用時，彈性狀態下因次懸挑梁的支座主梁的撓曲變形，就有M主1+M次1=M0，主、次梁間隔布置時，有M主1＞M次1，主、次挑梁承載力按此內力配置。

第二階段，假定主、次懸挑梁自身長期剛度一致，因為主懸挑梁配筋率大于次懸挑梁，設計中主次挑梁截面一樣，主挑梁的長期剛度略大于次挑梁，此時次挑梁的支座梁長期剛度下降，撓曲變形加大，荷載從次挑梁傳遞至主挑梁，此時有M主2+M次2=M0，M主2＞M主1主挑梁鋼筋進入屈服階段，M次1＞M次2次挑梁處于彈性狀態。這是第一次內力重分布。

第三階段，懸挑部分荷載繼續增加，主挑梁已屈服，先達至極限狀態，而次挑梁配筋足夠，主挑梁的下撓變形大于次挑梁下撓變形+支座梁下撓變形，增量荷載更多傳遞至次挑梁，次挑梁也達至極限狀態，這是第二次內力重分布。

第四階段，當懸挑結構從第二階段進入中大震時，次懸挑梁的支座梁進入屈服狀態，靜力荷載傳遞取決于主挑梁的下撓變形與次挑梁下撓變形+支座梁進入塑性狀態的下撓變形，當支座梁塑性變形較大時，主挑梁有可能超載破壞，雖未直接承擔水平地震力，但有可能因水平地震力塌了。

從這個全階段受力過程分析中，可以發現主挑梁的承載力相對于次挑梁來說總是不夠的。因此，建議對于懸挑這種靜定結構，次挑梁留有余地，主挑梁留有更大的余地，封口梁及懸挑板要考慮內力重分布的傳力進行適當放大。主挑梁的相對受壓區高度按混凝土規范5.4.3條要求不超過0.35，令As=ρ×b×h0，x×b×fc=As×fy，x≤0.35，根據常規設計C30混凝土等級，HRB400鋼筋，化簡得配筋率ρ≥1.4%時，主懸挑梁須考慮受壓鋼筋。

2 鋼筋混凝土梁端鉸接時的配筋構造

當梁端按簡支計算但實際受到部分約束時配筋要求[3]，此條說明根據工程經驗，避免負彎矩裂縫而配置縱向鋼筋的構造規定。

根據此要求給出圖3.2.3（砌體墻或磚柱上梁的受力鋼筋的錨固）和圖3.2.4（梁與梁的受力鋼筋錨固）[4]。對于砌體墻或磚柱上梁支座負筋按此構造沒有疑義；但整體現澆的梁梁節點，如按彈性計算次梁支座負彎矩值較大時，按此構造則帶來如下兩個問題。

雖然延伸長度未達到支座負筋的常規1/3 L0長度要求，但此支座負筋亦能承擔相應的支座彎矩，因次梁簡支，主梁無法考慮此項扭矩，主梁設計偏不安全。同時設計實務中，常未注明此處設計按鉸接，施工時延伸長度按常規做法；單跨簡支次梁跨中下部縱筋一般會做放大處理，而支座負筋根據放大后的跨中縱筋確定；此兩項實務處理惡化此問題。

梁支撐于砌體墻時，支座彎矩無法進行簡單計算得出，但梁梁節點處次梁支座負彎矩可根據相對剛度用常規軟件計算得出，亦可根據此彎矩計算裂縫寬度，無須再根據工程經驗進行配筋設置。有些設計師根據此條要求進行推論，當次梁支座未按簡支計算，得出的計算配筋值小于跨中下部縱筋的1/4，亦根據此1/4的跨中縱筋值放大支座負彎矩筋，此做法更不推薦。

建議對常規情況，次梁兩端按彈性計算；對于某些受荷較小的短跨小次梁，可按簡支計算。設計實務中常出現一種情況，次梁跨度較大時，傳遞給主梁的扭矩過大，主梁扭剪截面驗算通不過，加大主梁截面時，因同時抗扭剛度加大，導致次梁傳遞的扭矩同時加大，某些情況下會造成情況惡化，主梁扭剪驗算無法通過。此時解決辦法常使次梁兩端簡支，計算通過。但次梁支座負筋如何配置，如按跨中縱筋的1/4，既滿足混規9.2.6條的規定，計算書亦無超筋項，送審得以通過。但此舉無異掩耳盜鈴，主梁扭剪問題仍未解決，而且邊柱繞主梁軸向的彎矩被人為減小，邊柱設計偏不安全。混規5.4.4條建議協調扭轉時，支撐梁的扭矩考慮內力重分布的影響，有兩種思路考慮：整體結構按彈性計算，主梁扭剪截面驗算無法通過時，反算能承擔的次梁支座彎矩，根據此彎矩進行次梁支座負筋配置，同時將與彈性計算時負彎矩差值增至跨中彎矩，最后用彈性支座負彎矩和實配支座鋼筋進行裂縫計算；第二種直接進行次梁支座彎矩的調幅，調幅系數0.75～0.85。

3 恒活分項系數的提高對結構抗震的影響

白紹良教授[5]提到在“R-u基本準則”的問題上，我國建筑抗震設計規范與美國、新西蘭及歐盟規范存在原則差異，即當各設防烈度區的設計用地震力降低系數R取值相同時，延性需求u也應當大致相同，但我國規范保證延性的抗震措施卻按抗震等級逐次遞減，導致按規范設計的結構低烈度區相比高烈度區大震下抗震能力變弱。

2008年汶川地震后，相關的規范進行重編。陸新征教授在2009～2011年做了一系列相關研究，證明現行規范并未解決白教授指出的這個問題。

近來，新發布的《建筑結構可靠性設計統一標準》中恒活分項系數皆有提高，陸新征課題組早在2017年就做了相關研究，文章中提到大部分增加的鋼筋位于水平構件內，豎向構件增加有限，因大部分柱配筋由構造控制，結論中提到初始倒塌始于底層的倒塌模式，調整措施能明顯提高框架結構的抗倒塌能力；隨著設防烈度的提高，調整措施對框架結構的抗倒塌能力提高程度略有降低。但如果框架結構上部樓層存在明顯薄弱層，結構初始倒塌始于上部樓層，調整措施反而可能會使結構的抗倒塌能力降低。此結論有一定的探討空間，從實際設計經驗上，如果軸壓比能通過提高一級混凝土等級解決，是不會增加柱截面的，因此柱的實際抗彎能力不會有太大變化，而梁、板的抗彎能力是隨分項系數提高同比例提高，同時，常規梁-板體系設計中，板按彈性算法、板配筋由構造控制、梁實際是雙筋截面卻按單筋驗算等進一步加大樓蓋的抗彎能力，除非柱設計彎矩是按梁實配鋼筋反算，通常情況下，會形成“強梁弱柱”效應，再加之抗震措施卻按抗震等級逐次遞減的先天缺陷，越是低烈度區，越會形成柱鉸機制。這也是陸文中結構初始倒塌始于上部樓層，其抗倒塌能力降低的原因，柱截面未增大，抗彎能力未隨梁抗彎能力相應提高；其他底層抗倒塌能力提高，依賴于控制軸壓比而加大的柱截面。

從提高結構安全度、提高耐久性、與國際先進國家接軌的角度出發，提高荷載分項系數是大勢所趨，但由于抗震問題的復雜性，特別是現有規范抗震延性要求按抗震等級逐次遞減的缺陷，單方面變化可能會導致問題惡化，希望《可靠性標準》的修訂是后續一系列規范修訂的先行者。

4 扭矩折減系數

主梁協調扭轉時，可考慮梁開裂剛度退化后內力重分布，對次梁負彎矩進行調幅，同時，對主梁扭矩進行同等折減。但設計時已根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第5.2.4條進行扭矩折減，常規設計取折減系數0.4，協調扭轉時對主梁扭矩的折減能否與之同時考慮，值得進一步討論。

高規5.2.4條條文說明主梁扭矩折減系考慮樓板（有時還有次梁）的約束作用，可對梁的計算扭矩予以適當折減。但因扭矩折減系數的變化幅度較大，未對折減系數作明確要求。張艷茹，李云貴論文《梁扭矩折減系數的取值研究》中對彈性狀態下梁-板結構采用有限元進行分析，其結論是邊梁扭矩折減系數取值在0.4左右，差異不大，此說與高規條文說明中扭矩折減系數的變化幅度較大不符，似有進一步討論的空間。從其結論看一般工程取值在0.4時，可以在此基礎上考慮協調扭轉的進一步折減。

協調扭轉的折減不建議體現在程序開關扭矩折減系數中，雖然程序按此系數折減梁的扭矩，但此扭矩傳遞至柱上的彎矩在程序中并未折減，理論上也不能折減；而協調扭轉折減部分是徹底在結構中消失了，不傳遞至柱上。當梁平衡扭轉時，沒有內力重分布，如果統一考慮協調扭轉的折減，則會減少梁實際承擔的扭矩，降低梁的安全度。

PKPM程序缺省對弧梁不進行扭矩折減，因弧梁亦與樓板相連，亦可考慮樓板對其抗扭的貢獻，此項缺省偏保守，可能因弧梁扭轉為平衡扭轉，但轉換梁上墻柱偏心產生的扭轉及在程序中手動輸入的扭矩皆為平衡扭轉，亦進行扭矩折減。

樓蓋梁-板體系整體受力，但分開計算、設計。扭矩折減系數同梁剛度放大系數一樣，同為此狀況下不得已的工程近似。