混凝土框架梁截面設計及優化的幾點建議

柴迎春

(懷化市建筑設計研究院有限公司，湖南 懷化 418000)

混凝土框架梁是混凝土結構設計過程中常遇的一種結構構件，其截面設計和配筋驗算是每個結構工程師必做的一項工作，然而，目前多數設計師并沒有對其進行深入研究，或者說絕大部分設計師并不具備混凝土框架梁結構設計專業能力，進而阻礙了混凝土框架梁結構設計進一步發展。不可否認，由于我國在建筑設計方面起步較晚，設計師無論是在設計經驗，還是專業知識方面都有所欠缺，其設計成果往往達不到理想要求，并且在設計過程中還會經常出現諸多實際問題。針對以上內容，現將本人在圖紙審核時發現的幾個共性問題整理出來，提出一些看法和處理建議。

1 框架梁截面應按鋼筋混凝土雙筋梁進行驗算

現行大部分結構設計軟件為了編程和出圖方便，對混凝土梁一般按照矩形單筋梁進行截面設計，其不論從計算合理性、設計經濟性以及實現“強剪弱彎、強柱弱梁”抗震性能要求等方面來說都有值得商榷之處。

(1)從安全性角度分析。框架梁截面應按鋼筋混凝土雙筋梁進行可靠性驗算。由規范[1]寫出鋼筋混凝土梁計算公式如下。

(1)

(2)

以上兩式可以同時滿足平衡條件和屈服條件，其理論依據就是塑性力學的下限定理，因為依據這一理論確定的截面內力分布狀態可以滿足力學平衡條件以及強度屈服條件， 滿足這一條件的解非唯一，承載力大小隨受壓鋼筋和受拉鋼筋不同配置比例而變化，但都是極限理論的塑性下限解，從安全性角度來說有保障。 因此，梁采用雙筋梁模式考慮受壓區鋼筋受力作用有理論依據，其安全性能夠得到保障，且更加合理。

(2)從經濟性角度分析。鋼筋混凝土框架梁由于抗震設計需要，無論是梁頂面或者底面均需配置一定數量的貫通鋼筋，因此，無論是設計支座截面受拉鋼筋或者梁跨中截面受拉鋼筋，其受壓區都會存在一定數量鋼筋。由式(1)、(2)可知，由于受壓鋼筋的存在，計算結果所得受拉鋼筋會小于不考慮受壓鋼筋作用情況，因此，按雙筋梁設計，總體上配筋會小于按單筋梁設計配筋，截面設計結果更經濟。

(3)從實現結構抗震性能方面分析。眾所周知，規范[2]為了實現“強剪弱彎、強柱弱梁”抗震性能要求，除了一級抗震等級框架結構采用構件實配鋼筋進行性能驗算外，其它都是采用在梁端彎矩之和乘以放大系數的方式來增大梁端剪力或者增大柱子截面設計彎矩來實現這一目標，梁如果采用單筋截面計算，其實配鋼筋勢必會比計算所需鋼筋增大不少，這無疑會增大梁的實際受彎承載能力，可能導致梁端設計受剪承載力小于按鋼筋實配計算的受剪承載力，或者柱端設計受彎承載力小于按實配鋼筋計算的受彎承載力情況，無法實現“強剪弱彎、強柱弱梁”的抗震性能目標。因此，對于混凝土框架梁來說，在能夠滿足正截面受彎承載力要求時，其支座截面下筋(跨中正筋)和上筋(負筋)配置越少，框架梁、柱以及梁柱節點的剪力設計值也會相應越小，這對于結構抗震非常有利，其抗震設防目標越易實現。

結構工程師掌握了鋼筋混凝土雙筋梁設計理論后， 就可以在實際工程設計工作中適時應用這一理論。實際工程框架梁上部受力鋼筋和下部受力鋼筋都有部分貫通鋼筋， 在梁正截面受彎承載力設計時，應當利用這部分貫通鋼筋，如此能夠減少框架梁上部受力鋼筋和下部受力鋼筋地使用， 這樣不但可以降低建筑結構造價，而且可以提高框架梁、柱和節點的抗震性能。這種減少框架梁縱筋量的技術措施，不會以降低梁正截面受彎承載力為代價，而是充分發揮框架梁本身內在受力潛力，因此梁的承載力仍有相當能效保證。

2 框架梁縱向鋼筋應滿足直段錨固長度要求

部分設計師設計梁時，當梁的縱向鋼筋不能采用直錨方式滿足錨固要求時，通常會采用彎錨方式來解決問題，但其彎折前水平投影長度很小，不滿足規范要求，設計只要求總錨固長度符合要求即可。這種做法并不合適。

規范[1]規定，混凝土框架梁上部縱向鋼筋及下部縱向鋼筋，當框架柱截面尺寸不滿足鋼筋直錨長度時，錨固段縱向受力鋼筋應伸至節點對邊并向下或者向上彎折15倍縱筋直徑，彎折前的鋼筋直錨段長度不應小于0.4la或0.4laE。有關試驗表明，鋼筋錨固端的錨固能力是由水平段粘結能力和彎弧與垂直段彎折錨固作用組成，且在靜力作用下，水平段粘結能力起主要作用。當水平段投影長度大于等于基本錨固長度0.4倍時，垂直段長度不小于15縱筋直徑時，基本能夠保證梁端的錨固，此時不必滿足總錨固長度大于等于受拉鋼筋總直線錨固長度要求。

3 框架梁縱向支座鋼筋可部分布置于翼緣板中

設計框架梁時，有時支座彎矩較大，梁截面較小，導致受力縱向鋼筋數量較多，需要布置兩排甚至三、四排才能將鋼筋布下。這種布筋方式理論上可行，但是會導致下面幾排鋼筋離梁中和軸很近，難以發揮承載效率，事實上并不合理。有關資料表明，可將現澆混凝土梁兩側樓板中一部分作為梁翼緣板(翼緣板寬度可取4～6倍板厚)，將部分縱向鋼筋布與翼緣板內，以減少鋼筋布置排數，提高鋼筋利用率。為保證梁鋼筋在節點有可靠錨固，在翼緣中布筋建議不超出柱寬范圍。

4 框架梁箍筋非加密區配箍應注意優化

鋼筋混凝土構件中的梁箍筋主要功能：一是承擔剪(扭)力；二是形成鋼筋骨架；三是對構件混凝土進行約束。工程設計人員往往特別關注加密區設計要求，比如箍筋最小直徑、梁箍筋肢距、加密區箍筋最大間距等，而忽視了箍筋非加密區的優化設計，造成了較大浪費。

現舉例說明：某框架梁，抗震等級為三級，截面為800×1 000，混凝土強度等級為C40，箍筋為Φ10@100/200(6)。現圍繞箍筋構造來討論。

(1)本例加密區以外的箍筋肢距為(800-50)/5=150。根據《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)第11.3.8條，三級抗震等級梁加密區箍筋肢距不宜大于250mm和20d(箍筋直徑)的較大值，而對于梁箍筋非加密區，規范[1]對箍筋肢距并無要求，所以只要滿足三級抗震等級面積配筋率要求即可，而沿梁全長箍筋面積配箍率：ρsv=0.26f1/fyv=0.148%。

如果非加密區箍筋直徑不變，由6肢改為4肢(并不會影響骨架形成)，此時ρsv=314/(800×200)=0.196%>0.148%，完全滿足規范要求，可以節省箍筋約19%。

(2)如果進一步將非加密區箍筋改為2肢Φ8和2Φ10，仍能滿足全梁配箍率要求(ρsv=Asv/bs=258/(800×200)=0.161%>0.148%)，可以節省箍筋約23%，且對骨架支撐不會產生太大影響。

由以上分析可知，梁箍筋非加密區箍筋肢數及直徑都有可能與加密區不一致，不應僅將加密區箍筋間距加大，而其它如肢數、直徑都與加密區一樣的配箍方式進行配箍，這樣會造成極大浪費。

5 框架梁側面腰筋不宜隨梁寬增大而無限制增大

規范[1]指出：“當梁的腹板高度不小于450mm時，梁兩側應沿梁高方向配置一定數量縱向構造筋，每側縱向構造筋截面面積不應小于梁腹截面面積的0.1%，且其間距宜小于200mm。”

依據如上規定，梁側面構造筋的配筋量與梁的寬度成線性關系，寬度越大配筋量就越大，這在梁寬很大時會得到很不合理的結果。文獻[3]研究可知：梁的側面構造筋只對梁腹板兩側面的一個很小范混凝土窄條產生約束作用，而與梁腹整體寬度無直接關系，沿梁側面設置的構造縱筋對梁另一個側面裂縫寬度沒有明顯作用。文獻[3]依據相關試驗研究結果，認為受縱向構造筋影響的混凝土窄條寬度為從梁構造筋中心到梁外緣寬度的2倍，且不超過混凝土梁截面寬度一半，并將梁一側的構造縱筋截面面積與該側面混凝土窄條截面面積的比值定義為構造筋配筋率ρsk。

(3)

式中：為構造筋面積，2c+db為受構造筋影響的混凝土窄條寬度，不能大于梁腹板寬度的1/2，dsk為構造筋中對中的距離。

由上述式(3)知，以構造筋配筋率來設置腰筋，就不會出現構造筋配筋量隨梁寬增大而無限制增大的情況，則腰筋設置相對合理很多。文獻[3]試驗結果還表明，在梁每一個側面靠近主筋大約5/8受拉區高度范圍內配置4根構造筋比較合適。

6 框架梁高跨比較小時梁寬度不必很寬；梁高跨比較大時梁寬度不應過窄

以往規定，框架主梁截面高度為計算跨度的1/8～1/12，此規定已完全不能滿足近年來所大量興建高層建筑對于降低層高之要求，因此工程中出現了很多高跨比較小的框架梁，工程師擔心梁剛度不夠而加大了梁寬度，不少工程中出現了寬扁梁。寬扁梁的特點是梁寬比梁高大得多，例如截面為900mm×500mm，1 200mm×600mm等， 此種截面導致梁自重變大，樓板混凝土折合厚度增加，結構自重也明顯加大，而且還會帶來梁柱節點區的構造困難問題。大多數情況下，梁的寬度不必如此之大。造成梁寬過大的主要原因是有些設計師擔心梁高減小后梁剛度會不夠，因而以加大梁寬度來彌補。實際上，現澆T形梁剛度主要依靠梁翼緣，梁腹寬度對梁剛度貢獻相對較小。對于一般鋼筋混凝土建筑樓蓋，非預應力鋼筋混凝土現澆T形梁高度，如取跨度的1/15～1/18，剛度一般沒有問題。大量工程實踐證明：如果梁高取跨度的1/15左右，在荷載和跨度不太大的情況下，寬度取400mm～500mm，足夠滿足一般建筑樓蓋要求，不必人為將梁寬度過分加大，甚至加大到比柱寬還大的寬扁梁。

另一方面，由于構造要求或其他原因，框架梁截面高度取得較大，設計師按受力計算，框架梁寬度取得很小也能滿足計算要求，因此梁寬度取得很窄(如梁寬小于200)也不合理。框架梁是框架和框架結構在地震作用下的主要耗能構件，因此，梁的塑性鉸區應保證有足夠延性。影響梁延性的諸多因素有梁的剪跨比、截面剪壓比、截面配筋率、壓區高度比和配筋率等。在地震作用下，梁端塑性鉸區保護層容易脫落，如梁截面寬度過小，則截面損失比例較大，狹而高的梁截面不利于節點混凝土約束，為了改善其性能，可適當加寬梁截面，以降低梁截面的剪壓比，并采取有效配筋方式，如設置交叉斜筋或沿梁全長加密箍筋及增設水平腰筋等。

7 結 語

鑒于以上幾點分析，筆者對框架梁設計有如下幾點建議。

(1)框架梁截面計算應該按照雙筋梁計算模式進行，這樣在保證安全的前提下，提高結構抗震性能同時減少了鋼材用量。

(2)梁支座縱向鋼筋不宜布置過多排數，鋼筋數量較多時，可將部分鋼筋布于翼緣板中，并且注意鋼筋的錨固要求應滿足水平段投影長度不小于0.4la或0.4laE。

(3)框架梁箍筋在非加密區布置要求可以放松，其箍筋肢數和箍筋直徑可與箍筋加密區不同。

(4)梁腰筋僅對梁腹兩側面中一個混凝土窄條產生影響，而與梁腹寬無關。按規范公式設計梁腰筋可能得到不合理結果，而按文獻[3]提供的方法可解決規范公式遇到的困難，建議規范參照此要求對相關條文進行修訂。

(5)框架梁寬度過大會增加結構自重，當寬度超過柱子寬度時，還會增加梁柱節點處理難度，不利于抗震；梁截面寬度過小，在地震作用下截面損失比例較大，狹而高的梁截面不利于節點混凝土的約束。