淺析梁端約束在結構設計中的應用

王海濤+劉兆瑩

【摘要】梁端的約束條件與其連接結構構件有關，梁按端部支座約束條件分為簡支和固端兩種情況，簡支梁端指在豎向荷載作用下允許梁端發生轉動而不允許有水平和豎向位移，固端梁既不允許有位移也不允許有轉動，本人在實際工程中所遇到的梁端約束情況分析舉例，以供同行結構設計人員進行分析和探討。

【關鍵詞】梁端約束；剪扭驗算；極限狀態

【Abstract】The constraint conditions of beam end connected structure， beam according to the end support constraints into simply supported and fixed end two， beam end refers to the beam under vertical load allowed to rotate and does not allow the horizontal and vertical displacement， fixed end beam is not allowed nor displacement allow rotation of beam end I encountered in the actual engineering examples， for peer structure design are analyzed and discussed.

【Key words】Beam constraint；Shear Torsion checking；Limit state

1. 前言

（1）在現階段的結構設計中，常見的主要結構形式有框架結構、剪力墻結構和框-剪結構以及少數的磚混結構，無論在何種結構形式下，結構梁是結構體系中基本的水平受力構件，結構梁從其受力和設計計算分析方面來講分為次梁、框架梁和連梁。結構梁的基本作用是承受結構板和填充墻以及其他豎向荷載并將其所承受荷載傳遞給墻、柱等豎向受力構件，從而滿足建筑使用功能上的各種要求。此外在抗震設防區，框架梁也是傳遞水平地震作用，提供結構豎向抗側力構件相互聯系所必須的水平受力構件。次梁兩端支撐于框架梁或其它次梁上，框架梁兩端支撐于墻、柱上，連梁為平面內連接兩片剪力墻且跨高比大于5的梁（其受力形式不同于普通梁，此處不再討論）。因此，梁的設計除了要準確計算其荷載外，更重要的便是變形協調條件和本構關系。

（2）一般情況下，梁端為剪力墻、柱時按固端計算，因為墻、柱的剛度較梁大的多；而當梁端為其它梁時則需要根據二者的剛度判斷為鉸支或固定。眾所周之，在結構設計中既沒有絕對的簡支端也不存在絕對的固定端，因為結構構件中不存在剛體。結構工程師為了工程設計的需要把梁端的約束情況假設為簡支或固端，雖然能夠滿足工程實際，但在具體理論分析中仍然存在一些問題，尤其是在目前機算程序普遍采用的條件下，結構工程師單純地把機算程序“顯紅”的梁梁端假設為鉸接而不采取任何措施，已嚴重忽略了各結構構件之間的變形協調關系。

（3）【案例】以某工程住宅小區位于7度區，地下一層為車庫，地上26層為住宅，結構形式為剪力墻結構，建筑高度為75.8m。抗震等級為三級，其結構平面中梁L1為次梁（圖1），該梁跨度為6.5m，梁端支撐于框架梁KL1、KL2上，機算結果（圖2）顯示KL2截面剪扭驗算超限，經設計人員分析后認為該次梁L1在A端可以按簡支計算，在計算程序中將A端定義為鉸接，經再次計算程序無錯誤提示后按計算結果（圖3）進行結構梁的設計。

2. 在實際工程設計中該種做法比較普遍，但該種做法存在一下幾個方面的問題：

（1）實際受力情況下L1對KL2會產生扭矩作用，KL2是否存在配箍筋不足的情況。

（2）L1按鉸接計算，在A端上部是否產生裂縫而無法滿足結構的正常使用極限狀態。

（3）L1是否存在上部鋼筋配筋不足而下部鋼筋配筋偏大，此外KL1的配筋按圖三計算結果是否正確。

（4）首先我們來分析機算結果的合理性，梁L1在A端支撐于KL2上，承受板LB1和LB2上傳來的豎向荷載及其上的墻體荷載，并將其荷載再傳給KL2，梁L1的梁端支撐點A距離KL2的梁端較近，即KL2的梁端承受較大的剪力和扭矩，根據規范[1]式6.4.1-1：V/bh0+T/0.8Wt≤0.25Bcfc（公式1）知當梁端剪力和扭矩均較大時宜出現不等式左端較大的情況，程序計算合理。然后我們對L1的梁端約束條件進行分析，經計算KL1線剛度（EI/L，并考慮樓板對梁剛度的貢獻）為i1=2.02x1010N*mm2 ，KL2的線剛度為i2=1.45x1010N*mm2 ，L1的線剛度為i=1.40x1010N*mm2 。三者的線剛度比為1.44：1.06：1，工程實際中通常把線剛度比大于3的情況處理為固定端，因此L1兩端均為半固定約束。機算程序按照三維有限元，根據各構件的剛度計算出的彎矩、剪力等構件內力，圖2與圖3的計算結果有較大的差別，若人為地對構件的約束條件進行修改已明顯不符合實際的受力模型，在工程設計中存在影響結構正常使用甚至出現安全隱患。

3. 結束語

（1）對于以上情況作者人給出以下處理方案來保證結構設計的合理性和計算結果的準確性：方案一，由公式1知增加梁截面高度是最有效的提高梁剪扭承載力的方法，當建筑室內凈高有富余的話首先可以增加梁高，其次可以增大梁截面寬度。方案二，可以減小梁剪力、扭矩設計值，如樓面梁活荷載折減，梁扭矩折減，梁剛度放大，但是減小設計值時應合理選用相關參數并進行詳細分析。方案三，可以通過調整結構平面布置，如增設豎向結構構件、改變結構梁的平面位置使結構受力更明確、傳力途徑更直接。

（2）以上方案可以單獨采用或混合使用來解決結構設計中遇到的問題，且不可一味主觀地通過“點鉸”而不采取任何其它措施來處理梁端約束條件。此外，如果梁端約束按固結處理除了要滿足線剛度比外，還需要梁上部縱向鋼筋的錨固長度滿足要求，二者缺一不可。

參考文獻

[1]《混凝土結構設計規范》GB50010-2010.

[2]《建筑抗震設計規范》GB50011-2010（2016年版）.

[3]《全國民用建筑工程設計技術措施》（混凝土結構）.

[4]《全國民用建筑工程設計技術措施》（結構體系）.

[5]《混凝土結構構造手冊》（第四版）.

[6]《混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規則和構造詳圖》16G101-1.

[文章編號]1619-2737（2017）06-22-958