宽扁梁结构设计研究

时间：2024-07-28

姚春燕

(中科建(北京)建筑规划设计有限公司，北京100037)

随着高层建筑的发展,建筑功能需求的多样化, 在城市规划限制房屋总高度的条件下，楼层高度受到了很大的制约。而包括信息化、智能化等现代技术的管线设施的增加又占据了建筑净空的高度。因此结构梁高直接影响建筑物的总高度及其抗侧力效应。在此形势下,宽扁梁在现代建筑结构设计中得到了越来越多的应用。

1 宽扁梁概述

普通矩形截面梁的高宽比h/b一般取2.0～3.5；当梁宽大于梁高时，梁就称为扁梁；梁的宽度大于矩形柱的截面尺寸，大于圆形柱直径的80%称为宽扁梁。宽扁梁楼盖体系是介于普通的梁板体系和无梁楼盖体系的一种过渡形式，兼顾了二者的优点：与无梁楼盖一样可减小结构高度所占的空间，又与普通梁板体系一样布置灵活，升、降板、开洞方便，同时减少了楼板的跨度，有利于保证结构具有一定的刚度和延性。宽扁梁可分为双向宽扁梁和单向宽扁梁两种基本类型。

1.1 理论依据

现行《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2010)第6.3.1条规定[1]框架结构的主梁截面高度可按计算跨度的1/10～1/18确定。与旧规范相比(框架主梁的截面高度为计算跨度的1/8～1/12),现行高规对梁高的要求已作了较大的放宽，同时在第6.3.1条的条文说明里，比较了国外规范和总结了国内已有的工程经验，明确了调整的依据及可靠性。当设计有可靠依据且工程上有需要时，梁的高跨比还可小于1/18。当梁高较小或采用扁梁时，除应验算其承载力和受剪截面要求外，尚应满足刚度和裂缝的有关要求。在计算梁的挠度时，可扣除梁的合理起拱值；对现浇梁板结构，宜考虑梁受压翼缘的有利影响。

现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)第6.3.2条规定[2]采用梁宽大于柱宽的扁梁时，楼、屋楼盖应现浇，梁中线宜与柱中线重合，扁梁应双向布置，且不宜用于一级框架结构。扁梁的截面尺寸应符合下列要求，并应满足现行有关规范对挠度和裂缝宽度的规定：

bb≤2bc

bb≤bc+hb

hb≥16d

式中：bc为柱截面宽度，圆形截面取柱直径的0.8倍；bb、hb分别为梁截面宽度和高度；d为柱纵筋直径框架结构。

现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)第6.3.4条规定梁端纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于2.5 %，与旧规范相比最大配筋率由强制性改为了非强制性，但提高了梁的纵向受力钢筋伸入节点的握裹要求。

对于宽扁梁的设计，除了抗震规范对其断面有规定，相关规范并没有详述的细则。

1.2 相关研究成果

从20世纪90年代开始，宽扁梁结构设计就成功地应用于建筑设计中，国内外多家研究机构也结合工程的具体情况，进行了系列的实验及计算分析研究。这些大量的计算分析及实验研究表明：宽扁梁跨中截面符合应变平截面假定，符合力学中关于梁截面的正应力及剪应力的相关假定；而在支座附近，由于支座效应的影响，截面有应力应变集中的现象——内核心区的纵筋应变大于外核心区的纵筋应变，内核心区的剪力筋应变大于外核心区的剪力筋应变。

在静载和低周反复荷载作用下梁发生弯曲破坏节点试验中，到达极限荷载时，节点附近过内核心区的纵筋先屈曲；加大荷载，纵筋屈曲渗透，塑性区扩展，其它部分纵筋逐渐进入。

在节点剪切破坏(梁强化弯曲破坏滞后)的节点试验中，节点在梁柱的弯矩、剪力及柱轴力作用下处于复杂应力状态，剪应力分布相当复杂，由于内核心区受到柱及外核心区的有效约束，裂缝主要发生在外核心区，破坏区域基本在节点外核心区。

在宽扁梁空间框架整体模型的试验中，考虑整浇楼板的协调工作作用，宽扁梁整体框架结构较普通梁框架结构相比，其裂缝分布发展更为均匀，支座有先于跨中屈曲的趋势，使之先于跨中出现塑性铰，达到强柱弱梁的要求，其延性优于普通梁楼盖。

宽扁梁的延性和变形能力较好,只要设计、构造措施得当,同样具有良好的抗震性能：(1)宽扁梁容易实现“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”的抗震设计理念。(2)宽扁梁改善了节点的延性。宽扁梁框架节点破坏实验表明,节点外核心区破坏之后,节点内核心区才破坏,从而增加了抗震防线,节点的变形能力得到了提高,延性得到了改善。(3)外核心区箍筋、抗剪筋及混凝土使内核心区混凝土受到约束,使得核心区混凝土抗剪强度提高。

2 宽扁梁的经济性

梁的配筋率是相对于梁截面面积而言的。普通梁的经济配筋率一般在0.6%～1.2%，做到经济配筋率，则结构的经济成本和建筑需求就能做到最优的结合，同时施工上也不会有任何难题。需要指出的是，经济配筋率是针对普通截面梁的。如果是宽扁梁，虽然名义上的计算配筋率还在0.6%～1.2%之间，但是早已失去了经济配筋率的原始意义。因为配筋率虽小，但是实际配筋量是很大的，所以对于宽扁梁来说，配筋率是没有多少实质性的参考意义。就单纯的以梁的含钢量而言宽扁梁是不经济。采用相同断面积，宽扁梁比普通梁惯性矩小，承载力低且挠度大，在满足相同承载力的前提下，一般配筋量要稍多一些。

笔者认为，在高层建筑物高度一定的情况下，宽扁梁结构可以取得更多的建筑面积。整体的经济性是有明显优势的。

另一方面，即便是没有限高的要求，如果要取得相同的建筑面积，满足相同的室内净高，高层建筑采用普通梁板体系势必比采用宽扁梁结构要高出许多，由此将导致风荷载和地震作用都加大，水平荷载下的结构反应也将大大增加。如在风荷载作用下，建筑物顶点侧移与其自身高度的四次方成正比，无形中加大了顶部位移；而倾覆力矩是与自身高度的平方成正比，无形中也加大了倾覆力矩。另外，结构竖向构件、电梯、墙饰面、设备竖向管线和其他一些服务设施的费用也都会相应增加。如用于地下室部分，除了可以减小主体结构竖向构件、电梯、设备竖向管线和其他一些服务设施的费用外，还可以减少土方开挖量、支护结构高度、排水深度等相关施工费用。基于这些原因，宽扁梁在实际高层建筑结构设计中是有着广阔的应用前景的。

3 宽扁梁的设计建议及注意事项

目前国内大多数设计院通用的pkpm系列程序中，并未单独考虑宽扁梁的受力特点，在用SATWE程序计算过程中可发现宽扁梁的计算结果一般不会有异常。SATWE程序在计算时，一般是按一级框架梁受压区高度不能超过0.25，二、三级不能超过0.35，只对计算配筋进行受压区高度和配筋率的验算。而宽扁梁的配筋，经常由裂缝或挠度控制。在对宽扁梁的裂缝进行大量的计算后发现，一般由强度控制的梁，如果配筋率较大时，则裂缝宽度难以满足。根据笔者经验，当配筋率达到2%左右时，就应特别注意裂缝问题。宽扁梁设计中节点设计是关键，节点外核心区抗扭是宽扁梁的核心所在，故应重视并单独设计。

3.1 设计建议

3.1.1 宽扁梁的截面限制条件

考虑梁刚度、节点延性、外核心区受力合理，楼板应现浇，宽扁梁中心宜与支座中心重合，其截面限制条件为：

梁高：hb≥L/25hb≥16d

梁宽：bb≤2.5hbbb≤2.5bc

梁高宽比：bb/hb≤3

式中：L为梁跨度；d为纵筋；bc为支座宽度。

3.1.2 宽扁梁正截面受弯承载力、斜截面受剪承载力、刚度、裂缝计算

离开柱边0.5bb范围，可认为梁端弯矩按梁宽均匀分布；离开柱边1.0bb范围，可认为剪应力按梁宽均匀分布[3]。其计算同普通混凝土梁，取宽扁梁全截面计算，其抗弯承载力、受剪承载力以及正常使用极限状态的裂缝、挠度均按现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)进行设计。

3.1.3 宽扁梁的节点设计

宽扁梁节点的内核心区与常规节点相似，构件的内力可按传统的弹性力学分析方法求的，得出的节点区全截面水平剪力和竖向剪力可作为宽扁梁柱节点区全截面水平剪力和竖向剪力。对于宽扁梁柱节点，随着宽扁梁宽度的增加，内核心区所承担的梁端弯矩相对减小，内核心区的水平剪力也相对减小，外核心区所承担的梁端弯矩相应增大，使得外核心区的水平剪力也相对增大。

随着计算机技术的迅速发展，有限元分析方法也快速发展并广泛运用于节点分析中[4]。结合有限元计算分析，宽扁梁节点的内核心区水平受剪承载力计算，设计建议：

(1)

外核心区水平抗剪筋可利用腰筋贯通及附加另向水平拉结筋构成。对于外核心区水平抗剪筋的计算，结合有限元计算分析及各机构的研究成果，设计建议：

(2)

其余符号同前。

外核心区竖向抗剪筋计算：宽扁梁节点外核心区由于没有柱的有效约束，须配置竖向抗剪筋以满足其竖向剪力的要求。有限元计算分析表明：竖向剪力的大小与多个因素有关，计算复杂，数据离散。通过多个实际工程的验算，对工程上常用的构件尺寸的宽扁梁柱节点，外核心区的竖向抗剪筋大于或等于φ10@100时，其竖向受剪承载力一般可满足。对特殊的或重要的宽扁梁柱节点，需通过精确的有限元计算，对外核心区的竖向抗剪筋进行设计。

外核心区受扭承载力计算：节点外核心区截面扭矩等于梁端截面弯矩在外核心区上的分配弯矩，考虑外核心区对内核心区的有效约束是节点抗剪承载力贡献的重要部分，宽扁梁节点外核心区扭矩设计值可利用如下计算确定。

一级抗震等级:

MT=1.05∑Mbua(bb-bc)/(2bb)

二、三级抗震等级和非抗震设计：

MT=1.05∑Mb(bb-bc)/(2bb)

式中:∑Mbua为框架节点左右宽扁梁梁端同一时针方向按实配钢筋计算的正截面抗震受弯承载力之和；∑Mb为框架节点左右宽扁梁梁端最不利弯矩设计值之和，左右端弯矩同一时针方向时相加,反之相减；其余符号同前。

宽扁梁节点的受扭承载力计算公式、受扭纵筋、箍筋的配置、截面限制条件均按现行混凝土结构设计规范执行。

3.1.4 宽扁梁的构造要求

宽扁梁构造要求[3]：双向宽扁梁梁高不等时,梁高大者截面贯通节点区；宽扁梁梁端截面宜有50%～65%的纵向受力筋过柱且可靠锚固在内核心区，其百分率按bb/bc取值，其余的纵向钢筋可均匀分布于梁宽范围内；宽扁梁纵向钢筋在支座区的锚固搭接均可按现行混凝土结构设计规范规定执行,其中,中支座外核心区内宽扁梁底部纵向钢筋宜贯通或按受拉钢筋搭；梁端箍筋加密区长度取值：一级抗震等级，max(2hb，500 mm，bb)，二、三级抗震等级和非抗震等级，max(1.5hb，500 mm，bb)；宽扁梁两侧腰筋≥2φ12，间距≤200 mm；宽扁梁箍筋肢距≤300 mm,间距≤200 mm,加密区间距≤150 mm；宽扁梁纵向钢筋含钢率≥0.3%,纵筋间距≤100 mm，纵向钢筋宜单层放置。

宽扁梁节点构造要求：

(1)框架节点核心区水平抗剪箍筋配置：宽扁梁框架节点核心区水平抗剪箍筋除在内核心区柱内按现行混凝土结构设计规范要求设置外，还应在外核心区周边设置，其构造要求为：

一级抗震等级≥φ12@100

二、三级抗震等级和非抗震等级≥φ10@100

双向宽扁梁节点可利用宽扁梁腰筋双向贯通构成，单向宽扁梁节点可利用宽扁梁腰筋贯通附加另向水平拉结筋构成。

(2)框架节点外核区抗扭纵筋配置：双向宽扁梁梁高相等时，宜通过按计算要求增加框架梁纵向钢筋构成；双向宽扁梁梁高不等时，可在矮宽扁梁方向外核心区底部加设朝上开口箍筋构成底部抗扭纵筋；单向宽扁梁时，可通过设置节点核心区附加封闭箍筋构成(形式上相当于宽扁梁箍筋延伸进节点核心区)。采用附加封闭箍筋形式时，其构造要求为：

一级抗震等级≥φ12@100

二、三级抗震等级≥φ10@100

非抗震等级≥φ8@100

(3)框架节点外核心区周边抗扭封闭箍筋配置：按计算要求通过附加外核心区角部垂直拉筋与节点外核心区宽扁梁纵向钢筋焊接或搭接构成。附加垂直拉筋的构造要求为：

一级抗震等级≥φ12@100

二、三级抗震等级≥φ10@100

非抗震等级≥φ8@100

(4)框架节点外核心区垂直抗剪箍筋配置：宽扁梁框架节点外核心区内部还应设置垂直抗剪拉筋作抗剪箍筋，勾住进入外核心区的宽扁梁纵向钢筋并与之绑扎，其构造要求为：

一级抗震等级≥φ10@100

二、三级抗震等级和非抗震等级≥φ8@100

3.2 设计注意事项

3.2.1 宽扁梁的自重

由于宽扁梁的自重很大，设计人员在应用计算软件导荷载时应考虑扣除梁板重叠部分的荷载及竖向构件与水平构件重叠部分的荷载。由于梁宽增加，还带来梁柱节点区的构造问题，如果处理不当，节点处的钢筋太多太密，施工困难，常常影响施工质量，所以要注重结合施工的操作性考虑节点配筋。

3.2.2 宽扁梁的翼缘宽度和刚度调整系数

当考虑板参与作用的T型截面，宽扁梁的有效翼缘宽度可取：

高层建筑常采用现浇混凝土楼盖体系，在水平荷载作用下，通过框架梁和现浇板的共同抗弯来约束柱端的转动。混凝土板可作为宽扁梁的翼缘增加其截面刚度。在进行整体框架结构分析时，常用的软件是先取框架梁的矩形截面进行刚度计算，在刚度调整时，设计人员再根据是边梁还是中梁用1.5或2.0刚度调整系数进行放大。这对常规梁而言还是比较准确的，但对宽扁梁不宜用一个笼统的1.5或2.0的系数来调整放大，该系数应通过计算确定。应根据具体工程现浇梁板的几何尺寸，考虑板的参与作用，按前面给出的公式计算宽扁梁的有效翼缘宽度，计算T形梁截面惯性矩势，计算刚度调整系数，不宜随意取一个固定的值。

3.2.3 宽扁梁的楼板计算

宽扁梁的楼板计算在计算以宽扁梁为支座的混凝土板时，按双向板弹性理论、刚性支承来计算宽扁梁结构的楼盖体系是不尽合理的。梁与板的刚度比越小，则越向无梁楼盖的受力状态趋近，板承受弯矩的面积将向整个开间扩展，开间边缘板带所承受的弯矩会快速加大。如果设计人员仍按传统的方法计算双向板内力，并由此进行楼板配筋，是与楼板实际受力不符合的。常规双向板的负筋长度每侧取值是 L1/4(从轴线计算)，对一般的梁板体系，负弯距基本能包络，但对宽扁梁，显然是不安全的。其楼板每侧负筋长度的合理取值宜取Ln/4+bb/2(Ln为板净跨，bb为宽扁梁截面宽度)。