塑性鉸區開洞梁的受力性能與工程應用*

孫立春 林旭川

1.鄭州市建筑設計院 450007

2.中國地震局工程力學研究所 哈爾濱150080

引言

隨著人們對建筑功能要求越來越多，建筑中的通風、空調、熱水以及上下水管道越來越復雜。這些管道通常在梁底穿行，這就增加了樓層的高度，如果設備管線能從梁中穿洞而過，使結構高度和管道高度合二為一［1］，則可以增加使用空間，降低工程造價，獲得顯著的經濟效益，提升建筑空間品質。

在實際工程中，設備管道往往布置在框架梁端緊貼柱根處，而該位置多為塑性鉸區，相關標準中對梁在該區域開洞有所限制［2］。因為在該區域增加孔洞，將使梁的有效截面減少，降低梁的承載力和塑性鉸區的耗能能力，影響整體結構的抗震安全性和洞口周圍的局部穩定性，并帶來相應的構造問題。目前針對混凝土開洞梁的研究未能反映出結構的真實受力狀態，且理論研究較多，對實際工程應用細節缺乏探討，若處理不當，易引發工程事故，降低結構的可靠度［3］。

本文以某剪力墻結構高層住宅項目中塑性鉸區開洞梁的應用為背景，針對具體加強措施進行了有限元仿真分析，結果表明采取恰當的加強措施后能夠保證梁的安全性，并在該項目施工中進行了實際應用，為塑性鉸區穿洞梁的應用提供了參考。

1 開洞梁的設計與有限元模型

1.1 原型結構開洞梁構造措施

在某剪力墻結構高層住宅項目中，為控制樓層凈高，采用在框架梁塑性鉸區進行設備管道穿梁的方案，針對該方案的特殊性，采取了如下加強措施［4］，如圖1所示：（1）在開洞梁兩側設置了斜腋，以增強上部弦桿的抗彎抗剪性能；（2）在上下弦桿及洞口之間的腹桿處設置密箍以增強抗剪性能，并設置斜筋以加強腹桿的撐桿作用，保證梁的整體性能；（3）設置鋼套管，加強與混凝土的界面連接，保證鋼套管等效剛度大于削弱的混凝土。

圖1 開洞梁具體構造詳圖Fig.1 Detail drawing of the beam with openings

1.2 梁端加載

塑性鉸主要是保證梁在中震時梁的耗能能力，以實現“中震可修”的性能目標。運用PKPM軟件對整體結構進行了小震彈性和中震不屈服分析，得到開洞梁端最大彎矩為471kN·m，最大剪力為287kN。運用MSC.MARC非線性有限元軟件對塑性鉸區開洞梁進行分析，考慮到開洞較多，為了對構件承載力與破壞情況進行分析，選取抗彎為主與抗剪為主兩種加載方式，并分別對梁受彎（受剪）的不同方向進行加載分析。

1.3 有限元模型的建立

混凝土開洞梁模型由混凝土、鋼套管、鋼筋和彈性墻體四部分組成。混凝土強度等級C30，鋼筋采用HRB400熱軋帶肋鋼筋，鋼套管采用Q235B鋼材。

混凝土采用8節點實體單元建模，賦彈塑性-斷裂材料本構屬性，混凝土的開裂采用彌散裂縫模型進行仿真模擬，強度超過壓潰應變后即為失效［5］；鋼套管采用厚殼單元，考慮鋼材的屈服與強化，采用隨動強化與von Mises屈服面；鋼筋采用桿單元，材料本構與鋼套管的彈塑性本構一致。鋼筋模型建立后，通過Inserts功能將整個鋼筋籠嵌入到混凝土實體模型中，實現鋼筋籠與混凝土的共同工作；為使高層混凝土開洞梁具備合理的邊界條件，在鋼筋混凝土開洞梁端部，增加一段200mm厚的墻體，并將其節點固定。

在建模過程中，圓鋼管與混凝土采用節點耦合的形式進行連接，假定二者可以較好地進行共同作用。因此，實際工程中圓鋼管與混凝土之間需要采取足夠的抗剪、抗拉的連接措施。具體荷載采用PKPM計算的剪力、彎矩值。開洞梁模型如圖2所示。

圖2 開洞梁模型Fig.2 Model of opening holes beam

2 開洞梁抗彎性能分析

混凝土開洞梁在負彎矩與剪力共同作用下，當剪跨比為3.0時，該梁由受彎承載力控制，跟實際工作狀態較貼近。在梁端施加正負兩個方向的豎向位移，可得到梁端彎矩與加載位移的關系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，正彎矩屈服承載力略高于負彎矩屈服承載力，且屈服值均在800kN·m以上，明顯高于設計彎矩包絡值471kN·m，即該混凝土梁開洞后彎矩滿足設計要求，在達到中震不屈服設計荷載時還具有很好的承載能力儲備。

圖3 梁端彎矩-加載位移關系曲線Fig.3 Relation curve of bending moment and load deflection

2.1 開裂和屈服分析

在該混凝土開洞梁上施加向下3mm、10mm、60mm豎向位移Δ，3mm時構件初始開裂，10mm時構件屈服開裂，60mm時構件接近極限狀態，不同幅值下的混凝土的開裂情況如圖4所示。

圖4 受彎構件開裂情況Fig.4 Cracking of flexural members

由圖4可知，開洞梁的混凝土在該加載模式下，開裂以受彎裂縫為主，根據開裂應變估計的裂縫寬度如下：（1）最大彎矩包絡值作用下，最大裂縫寬度約0.23mm；（2）當構件屈服時，最大裂縫寬度約0.45mm。

2.2 鋼套管與鋼筋屈服情況

在該開洞梁上施加向下15mm和60mm豎向位移Δ，15mm時構件明顯屈服，60mm時構件接近極限狀態，不同幅值下鋼套管與鋼筋屈服分布如圖5所示。

圖5 鋼筋屈服情況Fig.5 The rebar yielding status

由圖5可知鋼筋的屈服順序，首先是梁端上下側縱筋屈服，接著斜筋屈服，最后屈服進一步擴展到所有縱筋以及靠近梁端的斜筋上，屈服狀態也表明塑性鉸區仍然在梁端首先出現。

3 開洞梁抗剪性能分析

開洞梁在負彎矩與剪力共同作用下，剪跨比為1.5時，該梁承載力受剪力控制［6］。在梁端施加正負兩個方向的豎向位移，可得到梁端剪力與加載位移的關系曲線，如圖6所示。

圖6 剪力-加載位移關系曲線Fig.6 The relation curve of shearing force and load deflection

由圖6可知，在梁端分別施加向上和向下位移時，梁的開裂、剛度與屈服強度相接近，即加載方向對梁的剪力承載力影響不大。該開洞梁的實際抗剪承載力達到912kN，遠高于設計值287kN，即該開洞梁的抗剪能力滿足中震下的抗剪截面要求。

3.1 開裂和屈服分析

在該開洞梁上施加向下1mm、7.5mm和22.5mm豎向位移，1mm時構件初始開裂，7.5mm時構件屈服開裂，22.5mm時構件接近極限狀態，不同幅值下混凝土的開裂情況如圖7所示。

圖7 受剪構件開裂情況Fig.7 Cracking of shear members

由圖7可知，在該加載模式下，開洞梁混凝土裂縫呈現明顯的剪切型特點，在屈服前，最大裂縫寬度小于受彎控制加載條件下的裂縫寬度，能夠滿足強剪弱彎的要求。

3.2 鋼套管與鋼筋屈服情況

在該混凝土開洞梁上施加豎直向下15mm和22.5mm位移，15mm時構件明顯屈服，22.5mm構件進入極限狀態，不同幅值下鋼管與鋼筋屈服分布如圖8所示。

圖8 鋼筋屈服情況Fig.8 The rebar yielding status

由圖8可知，在剪力作用下，梁首先在梁端縱筋處屈服，接著在各個斜筋處屈服，同時鋼套管也有少量屈服。

4 開洞梁加強措施參數分析

4.1 斜筋的加強作用

針對開洞梁中斜筋、鋼套管的作用情況，圖9分別給出了受彎為主與受剪為主兩種工況的系列荷載-位移關系曲線。

圖9 荷載-位移關系曲線Fig.9 The relation curve of load and deflection

通過圖9的對比分析可知，斜筋的作用與影響如下：（1）在混凝土開裂前，斜筋的影響不大；（2）混凝土開裂后，斜筋對抗彎剛度影響較小，對抗剪剛度有一定影響（圖9a），無斜筋開洞梁剛度明顯低于有斜筋的開洞梁（圖9b）；（3）斜筋對承載力有適量影響，對屈服承載力的影響較小（圖9a）。對抗剪承載力的影響稍大一些，無斜筋時，當構件出現屈服后，構件強度仍然會增長，但延性下降，一定變形之后出現強度下降；（4）圖9b中抗剪屈服強度約900kN，如保守地將其作為構件極限抗剪承載力，滿足高層開洞梁的抗剪承載力要求；而抗彎控制時（圖9a）屈服彎矩可達800kN·m以上，其強度高于設計包絡彎矩最大值409kN·m，即抗彎承載力滿足設計要求。

4.2 鋼套管的加強作用

圖9a與圖9b進一步給出了無鋼套管與有鋼套管鋼筋混凝土梁的性能對比。圖中虛線為無斜筋也無鋼套管的荷載-位移曲線。可以發現，如果不設置鋼套管，抗彎強度將下降10%左右，而抗剪強度下降約25%。此外，不設置鋼套管時，不僅影響整體強度和剛度，還會導致孔洞周圍開裂，如圖10所示。因此，鋼套管的作用比較明顯，既參與整體受力，也確保了開洞附近局部的安全。

圖10 有無套管開裂分布對比Fig.10 The cracking comparison of having drivepipe or not

4.3 斜腋的加強作用

為了研究斜腋對開洞鋼筋混凝土梁的影響，圖11給出了有斜腋與無斜腋的梁之間的性能對比。

圖11 荷載-位移關系曲線Fig.11 The relation curve of load and deflection

由圖11可知，當去掉斜腋混凝土與其內部的縱向鋼筋、箍筋時，梁的剛度和承載力均明顯下降，對剪切承載力的影響達到有斜腋梁極限強度的三分之一。對于孔洞較大且偏向于上部或下部一側時，設置斜腋保證了足夠受壓區的強度，保證了截面的抗剪要求，延長了塑性鉸區域，有效地彌補了由于開洞造成的截面損失。

5 工程實際應用情況

施工現場的鋼筋布置如圖12所示，由于開洞梁中斜筋和箍筋加密的設置，使得鋼筋較密，對混凝土的澆筑產生了不利影響，為此建議增加箍筋的設置，取消了斜筋；并設置定位鋼筋與鋼套管焊接，以保證鋼套管定位準確。最終現場實際安裝效果如圖13所示。

圖12 現場鋼筋布置細節Fig.12 The reinforcement layout in site

圖13 管道穿梁效果Fig.13 The effect of pipeline through beam

6 結論

本文通過對高層建筑塑性鉸區開洞梁力學性能的分析及工程實際應用，得到如下結論與建議：

1.在采取有效的加強措施情況下，塑性鉸區開洞梁的承載安全與變形能力可以得到保證。

2.斜腋是保證梁有效截面的重要措施，當孔洞較大且偏向于上部或下部一側時，設置斜腋有效地保證了梁的抗剪承載力，延長了塑性鉸區，有效提高了梁的耗能能力。

3.斜筋對梁的承載力影響較小，對增加梁的延性有益，在箍筋足夠的情況下，斜筋作用不明顯；實際工程中可以增加箍筋，減少斜筋配置。

4.鋼套管既參與整體受力，也可抵抗開洞附近局部的破壞，鋼套管的剛度有效彌補了梁開洞后對梁剛度的削弱，因此建議開洞梁設置鋼套管，且需加強鋼套管與混凝土的界面連接，確保其與混凝土共同工作。

5.實際工程中梁開洞區域鋼筋較密，節點施工困難，應合理選用加強措施，優化鋼筋配置，以利于施工質量的保證。