豎向開孔梁的初步探討

李宏偉，董 猛

商丘市建設工程質量監督站，河南商丘 476000

豎向開孔梁的初步探討

李宏偉，董 猛

商丘市建設工程質量監督站，河南商丘 476000

隨著建筑業的高速發展，人們對建筑功能的要求越來越高，將大量建筑設備應用到工程中，因而產生了豎向開孔梁。本文主要介紹豎向開孔梁的應用現狀和研究現狀，旨在為進一步深入研究帶來啟發。

豎向開孔梁；現狀；應用；研究

隨著21世紀的到來，人們對建筑結構功能的不斷提高，由此產生的影響是結構功能發生突破性變化。與之相適應的各種建筑輔助設施如室內給水系統、室內排水系統、室內采暖系統、自動噴水滅火系統等等，它們都是從建筑結構的梁下（或板中）穿過，在梁下占據的高度一般約占層高的1/5～1/4，占用了大量建筑空間，并且也增加了建筑的造價和日常維護費用。這樣的結果就是結構使用功能的滿足與工程造價的提高等方面的矛盾越來越突出，在高層建筑中尤其如此，同時也極大的限制了建筑設備工程的發展。所有的這些原因促使了管線暗裝技術的產生和發展，就是將建筑設備的管線布置在墻梁等建筑結構的構件中，采用鋼筋混凝土開孔梁，將管線空間與結構空間合二為一，以此減小建筑設備及其管線所占用的空間。不但為解決這些矛盾提供一個有效的途徑，也有助于改善建筑的視覺效果；但同時，也對建筑結構的結構性能和結構的空間和平面布置有很大的影響。

在建筑中，管道一般有兩種處理方式，一種是將管道安裝在預設的管道井內，以滿足室內美觀的要求。另外一種方式是將管道埋設在墻、梁內，這些管線埋設在建筑結構內部需要占用相應的空間，從而影響建筑結構的工作狀態，這樣就會不可避免的出現在梁中開洞的問題。管線在承重梁內穿管敷設的方法有兩種，一是在梁中和軸附近垂直于梁長度方向留設水平管道，將設備高度與結構高的合二為一，可以大幅的降低層高。二是在梁的垂直方向留設垂直管道，這樣既增加了房屋的使用面積，又改善了房屋的視覺效果。

無論哪一種開孔方法，均會削弱構件的截面，對構件的承載力、裂縫開展和變形均會有很大的影響，在洞口較大時，開洞梁的最大裂縫寬度明顯增大。所以，對于開洞梁，除了按照一般梁驗算最大彎矩以及剪力處的最大裂縫寬度外，還需要驗算開洞處的裂縫寬度。

對于第一種開孔方式，在設計中已有相關的要求，并大量應用于實際工程中。但對于第二種開孔方法，在現行的《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2002）中并未考慮豎向開洞對結構的影響，也未給出相應的計算方法和要求。

1 豎向開孔梁的應用現狀和存在問題

1.1 應用現狀

在工程現場的調研中發現在實際工程的設計中，考慮了水平開孔梁對承載力的影響，當孔洞尺寸超過規定時，在孔洞部位增加附加鋼筋。但在現行《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2002）中并未考慮豎向開洞對結構的影響，也未給出相應的計算方法和要求，即：鋼筋混凝土梁是按照沒有開孔的狀態設計的。而管線安裝要從梁中穿越，有時會穿越很多管線，嚴重削弱了鋼筋混凝土梁的有效截面積，對結構承載力造成了影響。

1.2 實際應用中存在的問題

1.2 .1 試驗研究未開展

近年來，雖然豎向開孔梁在實際工程中應用越來越多，但對其受力、傳力機理的研究不夠深入，力學概念模糊不清。

1.2 .2 缺乏計算理論依據

由于受理論研究及設計軟件的限制，目前，在設計時只是按照實體梁來設計，并未考慮豎向開孔時對結構的影響，給工程結構的安全帶來了嚴重的隱患。

1.2 .3 設計、施工的隨意性大

在實際工程中，因規范沒有對豎向開孔梁的設計要求，結構工程師就不再考慮孔洞的影響，安裝專業工程師在設計管線時，對于豎向管線位置也沒有明確尺寸定位，大多數管線位置是現場確定，沒有考慮結構的尺寸限制，隨意性較大，影響到結構安全。

2 豎向開孔梁的國內外研究現狀

目前，在國內、外的有關文獻中還未檢索到關于梁的豎向開孔問題的研究資料，在所有的研究中也僅限于對在梁的腹部開設水平孔洞的基本理論研究。主要的研究內容綜述如下：

隨著人們對建筑結構的功能要求的不斷提高，結構中各種輔助設施（如通風、供熱、消防、上下水管等）變得越來越龐大，若把這些設備管道從梁底穿越，其后果勢必擠占建筑空間，間接地增加了建筑高度。

為了解決這個缺點，國內外學者提出一種方法，即采用鋼筋混凝土開孔梁，總體上講開孔梁與實腹梁相比有共性，也有其特性，在離開孔洞位置稍遠的實腹截面其受力特點與實腹梁相同，而開孔處包含了整梁的應力與開孔產生的次應力的疊加，孔角附近有一定程度的應力集中，這就是其特性，在熟悉共性的基礎上，處理好特殊性，對開孔部位進行合理設計，滿足承載力與變形要求，我們就可以安全地使用開孔梁這一結構形式。目前，我國尚無鋼筋混凝土開孔梁的設計方法，國外對開矩形孔梁的研究較早，從文獻綜述來看，眾多學者認同用平行弦空腹桁架模式，孔洞上肢桿為偏壓桿，孔洞下肢桿為偏拉桿，截面剪力由上、下肢桿承擔。Lorenstren對四根開有矩形孔的T形梁進行試驗，雖然試驗結果表明拉桿（下肢桿）確實承擔部分剪力，但為了簡化分析，認為拉桿由于彎曲裂縫的產生而不承擔剪力，同時認為孔側附加箍筋應盡量靠近孔洞。

此后，加拿大的Nasser Karim W[等人對開有大孔的鋼筋混凝土簡支梁在集中荷載作用下的試驗進行觀察和分析，由于受當時總體試驗條件、理論研究的限制，作者根據其實驗的九根開矩形孔梁與一根實腹梁進行對比，提出了一些假設，認為上下肢桿在桿中點存在反彎點，上下肢桿承擔的剪力與其截面面積成正比。Barnet George B.等人對18根大尺寸的預應力鋼筋混凝T形梁進行試驗，試件的變化參數有：孔洞的尺寸、孔洞沿梁跨方向的位置、抗剪腹筋的類型。試驗結果表明，高剪力區壓桿（下肢桿）的反彎點位置在桿中附近，上肢桿與下肢桿承擔的剪力與其抗彎剛度成正比。試驗還發現，裂縫對肢桿剪力的分配有顯著的影響，而對軸力的影響不明顯，孔側必須配置足夠的抗剪腹筋。該作者根據試驗結果，提出了確定內力的方法，通過合理的設計，可以在梁腹設置孔洞而不會削弱梁的強度，降低適用性的要求。

國內對于鋼筋混凝土開孔梁的研究起步較晚，從1986年起鄭州工學院等單位對開洞深梁進行了較系統的試驗研究，對開洞深梁的受力性能破壞形態、受彎和受剪承載力以及主要影響因素進行較深入的分析，并提出了開洞深梁受彎、受剪承載力計算和正截面、斜截面抗裂驗算的公式以及相應的構造措施。90年代以來華南理工大學在吸收國內外的研究成果上，通過模型梁試驗進行研究，對開孔梁的受力性能有了初步的了解，提出了建立在其試驗結果上的設計方法。2000年以來，對鋼筋混土和預應力鋼鋼筋混凝土簡直梁上開設圓孔的力學性能進行了研究，主要有下幾方面內容：1）進行腹部開圓孔梁在孔邊加配環筋形式下的試驗研究，并從變化環筋配筋、變化斜筋配筋、變化孔洞尺寸等幾方面對該種配筋型式進行分析研究；2）進行了腹部開小孔徑圓孔梁、開設雙圓孔梁的試驗研究，獲取梁有關部位裂縫產生與開展、應變部分、撓度變化及承載力大小的數據；3）在各實驗數據的基礎上，對各種型式的開孔梁受力機制與基本力學性能進行了初步的探討。同時還從實際工程的角度，對各種型式開孔梁的設計提出了可行的建議方案。

劉愛華等在混凝土（PC/RC）開孔梁試驗的基礎上，討論了開孔對剛度、開裂荷載、裂縫分布等進行了探討，并給出了開孔梁強度、變形等方面的設計計算建議。

東南大學的呂志濤、江蘇大學的劉榮桂，采用實驗研究與理論分析相結合的方法，提出了開孔梁強度、剛度等方面的計算公式，并研究混凝土開孔梁裂縫寬度的性能與驗算方法。

南通工學院的劉紅梅等通過試驗研究和理論分析，分析了開孔梁的受力特性和裂縫發展，提出了混凝土開孔梁可行的補強鋼筋配筋方式。

綜上所述，國內對開孔梁的研究大多數僅限于水平開設方孔或圓孔梁的承載力、抗裂性能和裂縫發展等方面，研究了孔洞形狀、尺寸、鋼筋配筋形式對開孔梁的受力性能的影響，探討了梁的受力性能、內力分析和強度計算方法及配筋構造，分析了開孔梁的受力特性和變形性能等，沒有涉及到在混凝土梁上豎向開洞的問題。

[1]劉紅梅，金江，王海霞.鋼筋混凝土開孔梁試件非線形有 限元分析[J].工業建筑，2005，35（增刊）：117-119.

[2]劉愛華，劉榮貴.混凝土開孔梁試驗研究[J].江蘇理工大 學學報：自然科學版， 2000，21(3)：10-15.

[3]劉榮桂，呂志濤.混凝土(RC/PC)開孔梁實驗研究與理論分 析[J].土木工程學報，2004,37(7)：29-34.

[4]劉榮桂，呂志濤.混凝土(RC/PC)開孔梁抗裂性能與裂縫寬 度驗算[J].建筑結構，2001，31(1)：43-45.

[5]蔡健，陳眼云，李靜.開圓孔或方孔的鋼筋混凝土梁承載 力近似計算[J].華南理工大學學報：自然科學版，1995，23(1)： 44-53.

TU73

A

1674-6708（2010）28-0052-02