梁剛度放大系數對鋼框架結構的影響及合理取值

曾 艷 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230001）

梁剛度放大系數對鋼框架結構的影響及合理取值

曾 艷 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230001）

文章圍繞梁剛度放大系數，運用PKPM2010對一鋼框架結構取不同梁剛度放大系數值來對比分析其對結構整體及各構件的影響。根據算例對該系數進行具體計算并與現行規范比較，給出合理使用建議。以此來加強廣大結構設計人員對該系數的進一步認識和理解，并為實際設計中該系數的合理取值提供參考。

梁剛度放大系數；自振周期；層間位移角；內力

1 概述

在框架結構的設計中，結構設計師都會遵循“強柱弱梁”的設計概念，但在實際工程中包括汶川地震的震害也表明，現實中經常出現與之違背的“強梁弱柱”的情況。文獻[1-2]總結了實際工程出現此種情況的幾個重要原因，其中認為現澆樓板對框架梁的剛度和承載力貢獻有重要影響。

現階段，鋼結構憑借其建筑平面布置靈活、自重輕、延性和抗震性能好、施工快速、環境污染小等優勢，是國家大力推動發展的一種結構形式。其中鋼框架結構是目前我國應用最廣，也是設計施工最成熟的一種結構體系，因此研究梁放大系數對其影響具有重要的現實意義。

JGJ99-2015《高層民用建筑鋼結構技術規程》第6.1.3條[3]規定：高層民用建筑鋼結構彈性計算時，鋼筋混凝土樓板與鋼梁間有可靠連接，可計入鋼筋混凝土樓板對鋼梁剛度的增大作用，兩側有樓板的鋼梁其慣性矩可取為1.5Ib，僅一側有樓板的鋼梁其慣性矩可取為1.2Ib，Ib為鋼梁截面慣性矩。但在實際工程中，不少設計人員會對其進行調整，導致同一結構的梁柱應力、結構振型、結構位移等指標均存在均存在差異。因此有必要讓廣大設計人員明白該系數的變動對鋼框架結構各指標的確切影響。

本文首先分析了鋼梁剛度放大系數的不同取值對鋼框架結構分析結果的影響，然后和現有規范比較，為鋼結構工程設計人員在根據現有規范對該系數進行調整選用時提供了參考。

2 鋼梁放大系數對結構的影響

鋼梁放大系數對結構的影響是多方面的，下文采用結構設計和分析軟件PKPM2010對7度區一個6層鋼框架進行建模分析，通過選用不同的梁剛度放大系數來探究其對結構整體指標以及構件內力的影響。

模型（圖1、2）總共6層，層高3m，其中柱截面尺寸均為350×350×10×10，梁截面尺寸見圖2。板厚120mm，混凝土強度等級C30。

圖1 計算模型

圖2 標準層結構平面

2.1 梁剛度放大系數對結構周期的影響

該模型采用不同的梁剛度放大系數計算后的結構前三階自振周期對比見表1。從表中計算結果可以看出，第一，結構的前三階自振周期均隨著梁剛度放大系數的增大而逐漸減小，即結構的整體剛度不斷增大。第二，按規范計算得到的自振周期介于梁剛度放大系數取1.4～1.6所得到的周期，這和上面這條規律相呼應。

梁剛度放大系數對結構周期的影響 表1

不同水平荷載工況下的結構最大層間位移角 表2

梁剛度放大系數對結構構件內力的影響 表3

2.2 梁剛度放大系數對結構位移的影響

梁剛度放大系數影響結構整體剛度，顯然其對結構的整體位移亦會產生不可忽視的影響，計算結果見表2。由表中計算結果可知，無論對應于何種水平荷載工況，結構的最大層間位移角均隨梁剛度放大系數的增大而不斷減小，這和結構剛度的不斷變大正好呼應。

2.3 梁剛度放大系數對構件應力比的影響

隨著梁剛度的增大，結構在各水平力作用下抗力的分配亦會發生變化，因此結構各構件承受的軸力、彎矩、剪力等均會發生相應變化。由于篇幅限制，本文僅選取了中梁L1和第二跨底層中柱進行比較分析，結果見表3。從表中結果可以看出，鋼梁的梁端最大彎矩和剪力均隨鋼梁放大系數的增大而逐漸變大；鋼柱的柱底軸力隨鋼梁放大系數的增大而逐漸變大，而鋼柱的最大彎矩和剪力均隨鋼梁放大系數的增大而有所變小。

3 鋼梁放大系數的計算方法及合理取值

《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）的11.1.2條和11.4.2條[4]給出了現澆混凝土板對梁剛度影響的具體計算方法，現取算例中的中跨L1（H400×150×8× 10）進行計算分析。

在荷載短期效應組合下：

在荷載長期效應組合下：

式中：A為L1的橫截面面積；I為L1的橫截面慣性矩；Ec為樓板混凝土的彈性模量；Es為鋼梁對應材料的彈性模量；be為混凝土翼板的有效寬度；beq為混凝土翼板的換算寬度；yc為組合截面形心豎向坐標；Ieq為組合截面慣性矩；ζ為剛度折減系數。

由上述計算結果可知，考慮現澆樓板同鋼梁受壓翼緣共同作用，即按鋼與混凝土組合梁進行結構計算分析，組合梁的剛度在荷載短期效應組合下和荷載長期效應組合下將分別增大為原鋼梁剛度的2.78倍和2.56倍。和現行規范比較可知，規范只是偏保守地考慮了部分現澆板對鋼梁承載力提高的有利作用。

在結構設計中，按照規范取值既利用了樓板對鋼梁剛度和承載力提高的部分有利作用，又保證了結構“強柱弱梁”理念的實現，一般情況下均可按規范取值。對結構變形和位移要求比較嚴格的特殊情況，可適當加大梁剛度放大系數的取值。

4 結論

①梁剛度放大系數對結構的整體剛度、結構自振周期、結構最大層間位移角均有明顯的影響。隨著梁剛度放大系數的增大，結構的整體剛度提高，同時，結構的自振周期和結構最大層間位移角減小，即結構會整體變“剛”。

②結構構件的內力也受梁剛度放大系數的影響，且梁對該系數的敏感程度要高于柱。

③梁剛度放大系數按照現行規范取值時，既能利用樓板對鋼梁剛度增加和承載力提高的部分有利作用，又能實現“強柱弱梁”的目標，是偏于安全的。對結構變形和位移要求比較嚴格的特殊情況，且樓板和鋼梁有可靠連接時，可適當加大梁剛度放大系數的取值，但由于該系數會增大鋼梁內力導致梁截面增大，會影響“強柱弱梁”的實現，因此，增大該系數的同時，宜適當放寬鋼梁的應力比限值，以利用潛在的現澆樓板的有利作用。

[1]葉列平，等.從汶川地震中框架結構震害談“強柱弱梁”屈服機制的實現[J].建筑結構，2008,38（11）：52-59.

[2]蔣永生，等.整澆梁板的框架節點抗震研究[J].建筑結構學報,1994(6)：11-16.

[3]JGJ99-2015，高層民用建筑鋼結構技術規程[S].

[4]GB50017-2003，鋼結構設計規范[S].

TU391

A

1007-7359（2016）06-0135-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.051

曾艷（1983-），女，安徽合肥人，畢業于安徽建筑大學，學士，工程師。