結構次梁布置對工程用料的影響研究

施夢瑩 SHI Meng-ying；張超則 ZHANG Chao-ze；施夢濤 SHI Meng-tao

（①河北建研建筑設計有限公司，石家莊 050000；②電聯工程技術股份有限公司，杭州 310016；③河北省建筑科學研究院有限公司，石家莊 050000）

0 引言

框架結構的主次梁布置、截面選擇，大都依賴于設計師的實踐經驗來確定。根據建筑對結構的功能要求，按經驗先確定結構的材料和幾何尺寸，然后進行結構計算分析比較，最后確定方案。在這種設計方法中，大多數設計者以規范為標準，充分考慮了結構構件的安全性，卻難以顧全結構的經濟性。[1]要想實現對建筑經濟性的有效控制，就必須要從設計環節開始抓起，為了更明確地比較框架結構次梁布置對工程用料的影響，通過對兩種次梁布置方式進行對比分析，并結合實際工程案例探討各種方案的應用性，為次梁的結構布置方案選擇提供一定的數據支持。

1 工程概況

某住宅小區項目的臨街商業部分，該項目地上2 層，無地下室，建筑高度為8.45m，結構形式為框架結構，為多層公共建筑，基礎形式為柱下獨立基礎；本項目商業建筑面積不大屬標準設防類建筑；地震設防烈度：6 度（0.05g）；設計地震分組：第二組；建筑場地類別：Ⅲ類場地；框架抗震等級為三級；結構設計工作年限50 年。建筑二層平面布置圖如圖1 所示，樓面活荷載取4kN/m2，屋面活荷載為0.5kN/m2。最大柱網間距為8.4m×6.0mm，柱截面選取③軸上柱子截面為500mm×500mm、其余柱子截面450mm×450mm，邊框架梁截面為300mm×600mm，②軸上框架梁截面為300mm×600mm，次梁截面根據次梁結構布置方式的不同而進行相應的調整。梁、柱、板、基礎混凝土強度均為C30 混凝、所用鋼筋均為HRB400 鋼筋。

2 次梁結構布置方案

目前框架結構中梁板式的布置形式有單次梁結構、單向雙次梁結構、十字梁結構、井字梁結構等方式。由于本項目中商業建筑功能布局的要求，在每個柱跨的邊緣部分都有樓梯間，使橫向次梁不能居于跨中，并且樓梯間貫穿整個柱跨，無法布置縱向次梁，所以由于建筑功能的限制，本項目不能做成傳統的十字梁結構布置方式。雖然現在計算軟件可以用有限元方式精準計算井字梁結構，但是鑒于此項目功能僅為商業上部荷載并不大，開間也不算太大，不能充分發揮井字梁的優勢，因此本項目也不考慮井字梁結構的布置方式。

經過一系列的比較，在眾多的梁板式結構布置方案中，選取兩種比較適合此次項目的方案進行更深入的系統比較，這兩個方案分別是單次梁方案、單向設置雙次梁方案（見圖2），并通過對比梁、板、柱的單位面積用鋼梁（kg/m2）、總用鋼量（kg）；梁、板、柱的混凝土工程量（m3）、總混凝土用量（m3），分析兩個方案各自的優勢（見表1）。討論不同次梁布置方案下，梁、板的配筋具體用鋼量的差距，通過單個構件用鋼量的比較，再綜合整個建筑物用鋼量的比較，從單構件到整體的用鋼量的比較能較為直觀和系統地比較出兩個方案各自的優缺點。從表1 的數據中就能判斷出如何選擇合適的次梁布置方案更為合理，再結合建筑的使用功能就可以選擇出更符合后期建筑功能使用要求的次梁布置方案。此項目的建模計算均采用盈建科建筑結構設計軟件YJK V5.3.0 版本，兩個不同次梁布置方案的計算模型均采用的是相同的計算參數，此次研究僅針對次梁布置對工程用料的影響，所以其他計算指標結果就不在此贅述。

表1 YJK 計算軟件分析計算統計結果

圖2 次梁布置方案

2.1 單次梁布置

單次梁布置方案中，沿著樓梯間的隔墻布置一道次梁，通過圖2 中的（a）圖可知，如果僅沿樓梯間布置一道次梁，會導致一側板WB1 跨度很大，從而導致所需板厚過大。依據《混凝土結構設計規范》9.1.2 條中的板的跨厚比要求得，混凝土單向板不大于30。[2]本項目在僅設置一道次梁的情況下，WB1 按單向板考慮，選擇板厚為150mm；WB2 按雙向板考慮，選擇板厚為120mm。

單次梁方案結構受力形式為非均勻受力，大部分力傳到次梁上和框架梁上，導致次梁在支座位置負彎矩很大。經過YJK 計算軟件的計算分析，可知單次梁在支座位置所需鋼筋較多，并且單次梁方案中板的混凝土用量和鋼筋用量也很大。在YJK 計算輸出的工程量統計結果中顯示，雖然單次梁的結構形式，單根次梁的梁支座位置負筋配筋相對面積較大，但是與雙次梁模型計算結果比較卻發現，在計算整個模型中單獨統計所有梁的鋼筋和混凝土用量時，單次梁模型中梁的總用鋼量為19184.217kg，混凝土工程量為142.763m3，雙次梁模型中梁的總用鋼量為20333.373kg，混凝土工程量為167.767m3，見表1。數據表明，在跨中布置兩道梁會減小主框架梁的彎矩，也能減小次梁所分擔的彎矩，但是由于柱跨內梁的數量增加了，相應梁所需的縱筋、箍筋、混凝土量也會增加。這時候就需要建立模型實際驗算不同柱跨的尺寸時候，哪種次梁布置方式更為節省材料。

從表1 中還能反應出單次梁結構中，由于次梁數目少，導致板的跨度會很大，相應的板厚也會增大。板厚過大會有很多弊端，首先，板厚較厚會直接導致板內配筋是由最小配筋率控制，不能充分發揮厚板的作用反而增加鋼筋用量；其次，樓板板塊過大，會產生塑性干縮裂縫，塑性收縮是硬化前的新拌混凝土在凝結過程中因表面水分蒸發而引起的干縮裂縫，常見于澆筑后混凝土構件的外露表面，尤其是大塊板面。[3]在選用單次梁結構布置時，需要注意采取措施避免混凝土板產生裂縫。還有，板厚增大了勢必會增加混凝土用量，增大上部結構自重，這對基礎計算也會有一定的影響。

單次梁的布置方案優點也很突出，例如在此次項目中，次梁的總數相對于多次梁結構較少，在施工過程中梁所需模板數量也會減少方便施工，加快施工速度。單次梁結構梁的數量較少，板格種類也會相應減少，相應鋼筋長度和放置間距種類也會減少，同樣也會加快施工速度。此項目是公共商業建筑，一個柱跨之內只有一道次梁，使絕大部分使用空間的凈高很好，方便作為商業用房的裝修和使用。

2.2 單向雙次梁布置

單向雙次梁布置方案，把整個柱跨之間的板塊劃分為近似等分的3 塊單向板塊。最大板跨為2.0m，屬于單向板，板厚取100mm。通過YJK 軟件計算分析可知：由于柱跨中間分成了三個板塊，導致次梁上的荷載減小，次梁負彎矩位置所需鋼筋也較單次梁方案有所減少。

在YJK 計算輸出的工程量統計結果中顯示，雖然在單獨統計梁的用料一項中，雙次梁的優勢不太明顯，但是在統計整個項目的鋼筋用量和混凝土用量中，雙次梁的優勢還是很顯而易見的，具體數據見表1。雙次梁結構的布置，可以把板塊分割得更小更均勻，減小板厚；由于板跨變小，單根次梁的負荷面積變小，使得單根次梁的負彎矩變下，相應的負彎矩筋也變小，梁的受力模式更為合理；雙次梁還把梁上的承受集中力的模型改變為兩個集中力的作用方式，對結構②軸上框架梁的受力也有有利影響。

但是由于本項目中次梁跨度較大，次梁高度并不能減小很多，在已經確定好層高的前提下導致戶內使用空間的凈高無法提高，這是雙次梁布置在本項目中優勢不太明顯的重要原因。由于雙次梁的布置方式使板塊跨度減小，板塊跨度變小相應的樓板厚度也隨之減小。板跨變小樓板負荷面積變小，板底受力筋是最小配筋率控制，相較于單次梁模型板內鋼筋含量大大減少。樓板厚度減小，結構自重會相應地減小，這對于基礎設計是有利的。

3 結論

綜上所述，在此項目中，單次梁布置方式優點在于，次梁數目少，施工支模操作簡單，建成后空間使用凈高較高；雙次梁的布置方式優點在于，增加次梁數目，減小板厚，結構自重較小，總體混凝土和鋼筋用量少。單次梁結構和雙次梁結構都各有優缺點，而且此項目規模較小，對于兩種方案的布置，對總造價影響并不突出，所以在實際項目中，需要根據建筑的具體使用功能和實際項目的實際規模來確定結構方案布置。