淺談豎向加腋粱在地下室樓蓋結構中的應用

【摘要】框架梁梁端豎向加腋在地下室樓蓋結構中的應用越來越多，本文首先論述加腋對結構受力、變形及配筋的影響，然后對加腋的綜合效益進行分析，以此為實際的結構設計工作提供參考借鑒。

【關鍵詞】鋼筋混凝土;地下室樓蓋;豎向加腋粱

在工程設計中，由于埋深和功能需要，高層建筑一般均設有地下室，地下室一般柱網跨度和設計荷載較大，所占工程造價的比重較高，因此，地下室樓蓋的精細化設計對安全性和經濟性至關重要。為了解決梁端彎矩和剪力過大問題、減小埋深等原因，框架梁梁端豎向加腋在實際工程中的應用越來越多。然而，我國現行規范僅《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）第3.5.2條略有規定，導致實際設計中無據可依，甚至由于盲目追求經濟性，出現加腋設計不合理和綜合經濟效益差的情況。本文將對豎向加腋粱及其在地下室樓蓋中的應用進行淺析。

1、梁端豎向加腋對受力和變形的影響

加腋粱可以看做中性軸為橫截面形心連線的空間曲形拱粱，隨著加腋尺寸的變化，加腋粱內會產生不同程度大小的軸力，可以看作一根天生的預應力梁。此外，梁橫截面上的軸應力并不是均勻分布，因此可以看作一根壓彎構件。

梁端加腋會引起粱剛度變化，粱端部剛度相對跨中剛度增大，從而梁端分配的彎矩增加，相應跨中彎矩會減小。研究表明，當腋長為0.1倍粱跨度、腋高不大于0.2倍粱高時，支座彎矩增幅在5%以內;當腋長為0.15倍粱跨度、腋高在0.2～0.3倍粱高之間時，支座彎矩增幅在5%～15%之間。加腋會使粱內產生軸力，在加腋尺寸能明顯形成拱效應的情況下，軸力會導致跨中彎矩和支座彎矩均減小，跨中彎矩比支座彎矩減小的幅度更大。綜合考慮粱剛度和軸力的影響，根據加腋尺寸的不同，一般加腋粱的支座彎矩變化不大或者有小幅的增大，跨中彎矩會有一定程度的減小。

加腋高度不變時，加腋長度小于0.25倍粱跨時，加腋長度的變化對跨中撓度的降低影響明顯;加腋長度不變時，加腋高度的變化對跨中撓度的降低影響不明顯，增加腋長比增加腋高對于跨中撓度的降低更加有效。研究表明，當加腋長度等于0.25倍粱跨度時，隨著加腋高度大于0.4倍粱高的程度不同，加腋粱的跨中撓度是未加腋粱的1/5-3/5，說明加腋對于變形的控制是一種有效方式[1]。

研究顯示，梁端加腋可以延緩梁柱節點區域的剪切破壞速度，改善梁柱節點的抗震性能，有利于實現強節點的抗震概念設計。另一方面，梁端加腋對形成強柱弱梁抗震概念設計是有一定影響的，因此，粱加腋設計時需注意：對于邊柱或僅有一側加腋的中柱，考慮到柱兩側彎矩的不平衡和粱加腋處軸力對柱形成的剪力作用，需要對柱進行加強設計;此外，需避免加腋高度過高使框架柱形成短柱。

綜上所述，從加腋對粱受力和變形的影響可知，建議加腋長度取0.1～0.15倍梁跨度，加腋高度約取0.4倍粱高，加腋坡度大約取1：3，同時盡量避免柱單側粱加腋和避免因加腋形成短柱。

2、梁端豎向加腋對配筋的影響

雖然粱加腋后梁端彎矩可能有較小的增大，但是加腋增大了梁端截面高度，提高了抗彎內力臂，能夠減少梁端抗彎縱筋。根據力學知識可知，支座彎矩一般是跨中彎矩的2～3倍，地下室框架梁所需支座抗彎縱筋一般較大，粱的加腋可以大幅減少梁端縱向受彎鋼筋。另外粱加腋可以減小跨中彎矩，因此粱跨中底部縱筋也會有一定程度的減少。

梁端截面的加大，降低了梁端剪應力，提高了梁端的抗剪承載力，因此梁端所需抗剪箍筋會減少。但是，加腋粱的抗剪不僅需要驗算梁端截面處，還需驗算粱中加腋尾部處的抗剪承載力。對于沒有次梁集中荷載作用的有粱大板樓蓋結構體系，剪力和腋高均從梁端至跨中呈線性變小，因此對于無次梁的有粱大板結構體系的框架梁，加腋可以有效減少框架梁受剪所需箍筋。對于有次梁集中荷載作用的主次梁樓蓋結構體系，腋高從梁端至跨中呈線性變小，而剪力從梁端至次梁作用處并未大幅減小，因此對于主次梁樓蓋中的框架梁，加腋對減少受剪箍筋的作用有限。

為了保證梁腋滿足受力要求，加腋需要滿足如下圖1所示的構造措施[2]。由于拱效應，加腋處存在軸力作用，腋底部需要配置斜向構造縱筋，其截面面積不小于粱底縱筋的1/4且需滿足最小配筋率的要求，以4? 20的斜向構造縱筋為例，假設柱寬hc為600mm、腋長c1為1000mm、鋼筋錨固長度為700mm，即兩端加腋粱比非加腋粱增加了總長約（700+1000+600+1000+700）X4=16000mm的20斜向構造縱筋。此外，粱的加腋增強了節點核心區剛度，使得粱柱與加腋連接點成為梁柱的不利截面位置，梁柱加密區應從該點算起，假設腋長c1為1000mm，即兩端加腋粱比非加腋粱增加了2米長的箍筋加密區。因此，雖然粱加腋可以減少計算所需的抗彎縱筋和抗剪箍筋，但是考慮構造措施后，加腋粱的實際配筋不一定會減少。

3、梁端豎向加腋的綜合效益分析

以上分析可知，框架梁端豎向加腋能產生拱效應，使粱受力更合理，能減小粱跨中彎矩，能提高梁端抗彎承載力和抗剪承載力。對于地下室頂板，一般梁跨度較大、覆土較厚、存在消防車等活荷載，所需粱高較高、配筋較大，如果采用加腋粱，能減小粱高和配筋，粱高的減小使得地下室埋深可以減小，能產生較大的經濟效益。

工程設計過程中，人們普遍關注的是加腋對粱縱筋的減少，很少關注梁端豎向加腋會增加斜向構造縱筋、會增加構造箍筋用量、會增加混凝土用量、會增加加腋處箍筋開料和綁扎的難度、會增加模板量、會增加施工難度和工期、對地下室美觀度也有一定影響。可見，雖然加腋粱有很多優點，但是很多情況下是不適用的，只有在粱跨較大、受力較大、凈高有要求時，梁端豎向加腋才能產生較好的綜合效益。

結語：

框架梁端豎向加腋使得梁受力更合理，能減小粱跨中彎矩，能減小粱跨中撓度，能減小梁端縱向受力縱筋。對于無次梁的框架梁加大板的樓蓋體系，加腋可以有效減少框架粱的抗剪箍筋;對于主次梁樓蓋體系，加腋對減少框架梁受剪箍筋作用有限。雖然加腋有極大的優勢，但是也增加了粱的構造措施和施工難度，當粱跨較大、受力較大、凈高有要求時，梁端豎向加腋才能產生較好的綜合效益;當粱跨較小、受力不是特別大時，梁端豎向加腋具有較差的經濟性和合理性。此外，粱加腋需避免使柱子形成短柱，柱子兩側粱盡量同時加腋，柱子單側粱加腋時需考慮加腋處粱軸力對柱子的影響。

參考文獻：

[1]袁振軍.加腋梁工程特性有限元參數分析[J].低溫建筑技術，2008，4（3）：60-61.

[2]16G101-1混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規則和構造詳圖（現澆混凝土框架、剪力墻、粱、板）[S].北京：中國計劃出版社，2016.

作者簡介：

盛孟（1988.07-），男，本科，工程師，主要從事結構設計工作。