淺談加腋梁在框架結構設計中的具體應用

陳清流

(福州市建筑設計院　福建福州　350011)

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淺談加腋梁在框架結構設計中的具體應用

陳清流

(福州市建筑設計院福建福州350011)

隨著生產建設的大力發展，加腋梁在大跨度框架結構中的應用越來越多，然而現行規范對此類結構構件尚未有明確、系統的論述，使得施工圖設計、審查無據可依。文章以實際工程為例，結合PKPM軟件進行分析，分析結果表明:在框架梁支座區進行豎向加腋，梁的截面高度增大，配筋用量減少，有效地降低支座縱向鋼筋的密集度，便于施工；同時，加腋可提高節點的可靠度，并使梁端的剪應力變小，減少箍筋用量。采用豎向加腋梁，可使梁的內力分布更加合理，也在一定程度上改善了梁的受力情況。

豎向加腋梁；框架結構；大跨度；內力；配筋

0　引言

在大型公共建筑和現代工業廠房中，隨著跨度和荷載的不斷增大，特別是框架結構跨度的影響，在荷載的最不利組合下，梁的支座負彎矩明顯增大，部分梁的支座負彎矩可達到跨中彎矩的2倍～3倍，甚至更多，在這種情況下，梁采用同一截面高度，顯然是不合理的。采用同一截面高度的梁會造成支座處的鋼筋過多過密，施工時比較困難，而且跨中配筋率太小，經濟性差。此時采用變截面的方式即對彎矩大的支座處進行豎向加腋，則較為容易實現對梁支座處配筋率的控制。然而，對于框架梁的豎向加腋，我國《混凝土結構設計規范(GB50010—2010)》[1]第3.5.2條第三款僅做了一般性規定，并沒有給出梁的加腋部分尺寸參數，也沒有對具體的控制指標給予量化，使得施工圖設計、審查均無據可依。《建筑抗震設計規范(GB50011—2010)》[2]第6.1.5條條文說明，也僅對框架梁柱偏心距過大所采取的水平加腋的措施做出了規定。由此可知，現行規范對梁的加腋尚未有明確、系統的論述。本文結合工程實例，淺談加腋梁在框架結構設計中的具體應用。

1　對框架梁加腋的認識

加腋梁可分為水平加腋與豎向加腋，其所適用的范圍是不一致的，水平加腋是為了改善梁柱偏心過大而引起的節點核心區抗震性能，即提高節點核心區的承載能力和能量耗散的能力；而豎向加腋為了盡可能滿足建筑物的凈空要求以及有效地解決梁支座處配筋過大的難題。工程中，豎向加腋梁通常采用對稱斜直線加腋梁，一般以橫截面的形心連線作為中性軸，則可將橫截面沿著高度變化的豎向加腋梁簡化成一空間曲梁。需要注意的是，實際工程中的加腋仍然為梁端加腋，而不是節點核心區加腋[3]。在荷載作用下，加腋梁中存在不可忽略的軸力，軸力和剪力的數值在數量級上是相同的，所以廣州容柏生建筑工程設計事務所徐重人指出：加腋梁是天生的預應力梁，具有著較大的經濟效應[4]。當梁的跨度很大時，宜同時考慮采用預應力方案，以控制撓度和裂縫寬度，優化設計[5]。考慮梁的彈塑性設計是可以取梁凈跨的[6]。在進行加腋梁設計時，要考慮到《混凝土結構設計規范(GB50010—2010)》[1]第3.5.2條第三款的規定，即應考慮其截面變化對結構分析的影響。加腋梁除了通常按最大正負彎矩進行配筋外，還應驗算加腋尾截面處(至少一個截面)的梁頂配筋。在大跨度框架結構的設計中，梁的截面高度較大，特別是梁端加腋部分，必須考慮其對柱子凈高的影響，盡量避免出現短柱，剪跨比不滿足規范要求。同時，還應注意到梁的豎向加腋會對結構抗震性能造成不利的影響，在一定程度上削弱了“強柱弱梁”的延性地震破壞機制。

2　工程實例分析

某印刷車間為框架結構，地下室1層，地上4層，結構高度約為23.70m，工程抗震設防類別為丙類，位于福州市晉安地區，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第二組，三類場地，結構立面示意圖如圖1所示，二層結構平面布置圖如圖2所示。本印刷車間跨度比較大，跨度為9.0m左右，而且荷載不小，特別是活荷載，根據車間的用途和設備的相關參數，荷載取值也是不一樣的，地下室頂板上的活荷載取30kN/m2，二層的活荷載取25kN/m2，三四層的活荷載取15kN/m2。

設計以下兩個方案進行比較研究：

方案一：均布置普通框架梁，梁尺寸參數：橫軸的梁尺寸350mm×1 000mm；縱軸的梁尺寸450mm×1 200mm。

方案二：在荷載大的部位，對梁進行豎向加腋；在跨度較小或者荷載不大的部位，梁按照普通梁進行設計。加腋梁尺寸參數：橫軸的支座加腋高度[4]αh=0.5×800=400mm，加腋長度[4]βL=0.2×9 000=1 800mm；縱軸的支座加腋高度αh=0.5×1 000=500mm，加腋長度βL=0.2×9 000=1 800mm；兩種方案的板厚均為120mm。方案一和方案二均采用PKPM軟件電算。

上述兩種方案經電算后，選擇中間一根梁來進行分析對比，其內力計算結果如對比表1所示，梁的配筋值對比如表2所示。

表1　梁的內力計算結果對比

注：彎矩的單位為kN·m，剪力的單位為kN。

由表1可知，加腋梁的支座彎矩比等截面梁的支座彎矩略大一些，增幅在7%～8%，而加腋梁的跨中彎矩變小了，減幅在18%左右。究其原因，加腋梁的支座區域剛度增加了，使支座彎矩隨之上升；而跨中則相反。加腋梁的剪力比等截面梁的剪力小，這主要是由于加腋梁的有效高度增大了，適應了內力重分布的需要。

表2　梁的內力計算結果對比

注：配筋值的單位為mm2

由表2可知，與等效截面梁的配筋值相比，加腋梁的配筋值均有不同程度的降低，支座處的配筋值下降了21.4%左右，跨中則下降了8.6%。這說明了采用加腋梁方案可以有效地降低梁支座配筋，解決了施工中支座鋼筋密集的問題，便于施工，而且經濟效益明顯。

在加腋梁的設計當中，尚應注意的幾個問題：

(1)在確定框架梁加腋尺寸時，要充分考慮梁柱節點域的影響，建模時加腋尺寸應加上伸入節點域的尺寸。

(2)梁的加腋對內力及配筋的影響規律，對于各種非簡支梁結構是適用的，對簡支單跨梁而言，很顯然地只可提高抗剪強度，不能提高抗彎強度。

3　結論

在實際大跨度結構中，應充分運用梁的加腋進行結構設計。在工程實例的設計過程中，得到如下結論：

(1)對框架梁進行豎向加腋，不僅可以讓梁的內力分布更加合理，也在一定程度上改善了梁的受力情況。

(2)在彎矩和剪力較大的梁支座區，通過加腋，梁的截面高度增大，可減小配筋量，有效地降低支座縱向鋼筋密集度；再者，加腋對布置鋼筋有利，提高節點的可靠度，還可以使梁端的剪應力變小，減少箍筋用量，從而降低工程造價。

對今后加腋梁在框架結構中的應用及研究，有如下展望：

(1)可通過對加腋梁和加腋板的配合使用進行研究，分析加腋梁板對內力及配筋的影響及其產生的經濟效應，并將其應用到之后的結構分析中。

(2)考慮不同的加腋梁形式(如斜直線、平直線、曲線等)對框架梁內力以及整體結構的影響，通過對比和優化確定最佳的加腋梁形式。

[1]GB 50010—2010 混凝土結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2010.

[2]GB 50011—2010 建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2010.

[3]冉祥富，林紅.淺談加腋梁在框架結構用的應[J].工程技術，2005(3)：96-96.

[4]徐重人.加腋梁的簡化計算模型及其解析解[J].建筑結構,2007(37)：84-88.

[5]章杰.探討鋼筋混凝土梁的加腋對內力及配筋的影響[J].結構工程師，2001(1)：12-19.

[6]鄭小慶，胡蝶，吳瑜錕.防空地下室頂板加腋梁設計[J].建筑技術，2010(10)：23-26.

Preliminary analysis of the application haunched beam in the design of frame structure

CHEN Qingliu

(Fuzhou Architectural Design Institute, Fuzhou 350011)

As the rapid development of production and construction, haunched beam in large span frame structure is becoming more and more. However, the exposition of current specification for such kind of structure member is not yet clear and systematic, which makes the construction designing and reviewing have no basis. By taking practical project for example and combining PKPM software for analysis in this paper,the analysis results show that vertical haunched performed in the frame beam support area can increase the height of the beam cross-section,can reduce the amount of reinforcement,can effectively reduce the intensity of the bearing longitudinal bars,and construct easily.And haunched beam can improve the reliability of the node and can also make the end of the beam shear stress is reduced, reducing the stirrup.Finally, using vertical haunched beam can make the beam of internal force distribution more reasonable, also to some extent, improved the force of the beam.

The vertical haunched beam; Frame structure; Large span; Internal force; Reinforcement

陳清流(1989.8-)，男，碩士研究生，工程師。E-mail:chen4782xu@126.com

2016-08-05

TU3

A

1004-6135(2016)09-0058-03