結構構件構造設計分析與應用

馬文正

【摘要】本文分析了結構設計中框架梁、框架柱、剪力墻的重要結構構造，并敘述了對規范的理解與實際應用。

【關鍵詞】構件設計；框架梁；框架柱；剪力墻

為滿足抗震結構在地震作用下擁有足夠的延性，規范規定了構件的最小截面尺寸、最小配筋率、箍筋體積配箍率等構造措施。本文主要從概念出發，在結構構件的構造角度探討梁、柱、墻等構件的施工圖設計中容易出現的問題，同時也是結構審圖工作中較為重要的內容。

1、框架梁

《高規》6.3.1條規定了高層結構框架梁的截面取值，實際工程中對荷載較大的情況跨高比可取上限范圍1/10～1/12取值，對荷載較小的情況跨高比可取下限范圍1/15～1/18取值，當采用無梁樓板結構時，板厚不小于跨度的1/18且沿柱網設置暗梁時，可認為其屬于梁板結構。結構設計中梁截面的確定，應考慮對結構抗震性能及結構設計的經濟的影響。1）適當加大梁的截面高度，梁的自重較小；高度較大，對結構側向剛度的貢獻也較大。在豎向荷載作用下梁的配筋較小，結構設計的經濟性較好。2）采用寬扁梁或梁的截面高度較小時，梁的自重增加，剛度較小，對結構側向剛度的貢獻也較小，同時也會加大框架柱或剪力墻的負擔，框架柱或剪力墻的截面和配筋也較大，框架梁的配筋也大，結構設計的經濟性較差。但框架梁截面較小時，較容易實現梁鉸機制，較容易滿足墻柱弱梁要求，結構的抗震性能不差。

《高規》6.3.2條規定了計入受壓鋼筋作用的梁端截面混凝土受壓區高度與有效高度之比值要求；縱向受拉鋼筋的最小配筋率要求；梁端截面的底面和頂面縱向鋼筋截面面積比值的要求；梁端箍筋加密區范圍、箍筋最大間距、箍筋最小直徑的要求。縱向受壓鋼筋的錨固應按照《混規》規定滿足對受壓鋼筋的特殊錨固要求，并在縱向受壓鋼筋錨固長度范圍內配置橫向構造鋼筋，以防止保護層混凝土劈裂時，縱向受壓鋼筋的錨固突然實效。橫向鋼筋指垂直于縱向受力鋼筋的箍筋或間接鋼筋。當梁端頂截面與底截面采用不同強度等級的鋼筋時，受壓鋼筋不宜再按配筋率控制，可理解為Asfy≥Asfy/2。

《高規》6.3.3條規定了梁端縱向受拉鋼筋的最大配筋率要求；沿梁全長頂面和底面的縱向通長鋼筋的要求；以及貫通框架中柱的梁鋼筋最大直徑的限值要求。根據國外試驗資料，受彎構件的延性隨其配筋率的提高而降低，但當配置不少于受拉鋼筋50%的受壓鋼筋時，其延性可以與低配筋率的構件相當。所以當受壓鋼筋不小于受拉鋼筋的0.5倍時，受拉鋼筋配筋率可提高至2.75%。梁的通長鋼筋可以是梁兩端部分負筋通長配置，也可以是梁跨中頂面鋼筋與其兩側梁端負筋連接。中柱貫通鋼筋直徑的要求，主要為防止梁在反復作用時鋼筋的滑移。采用圓形截面柱時，應盡量居中布置框架梁。當梁鋼筋所在位置的弦長不滿足要求時，應設置方形梁柱節點。

2、框架柱

《抗規》6.3.5條及《高規》6.4.1條規定了框架柱最小截面尺寸、柱的剪跨比、柱截面的高寬比要求。考慮到抗震安全，抗震設計時柱截面尺寸不宜過小，對層數不超過兩層時的框架柱截面要求予以適當放松。樓梯柱作為一種特殊結構柱，宜按抗震設計的框架柱要求采取相應的構造措施，樓梯柱的截面寬度不應小于200mm截面面積不應小于框架柱的截面面積要求。

《高規》6.4.2條規定了抗震設計時，鋼筋混凝土柱軸壓比的限值要求。當配筋量、箍筋形式滿足一定要求，或在柱截面中部設置配筋芯柱且配筋量滿足一定要求時，柱的延性有不同程度的提高，因此可對柱的軸壓比限值適當放寬。設置芯柱的目的在于改善鋼筋混凝土框架柱的延性，結構分析時一般不考慮芯柱對框架柱抗彎及抗剪承載力的影響，因此，芯柱一般設置在柱截面的中部。

《高規》6.4.3條規定了柱縱向鋼筋的最小配筋率、箍筋加密區最大箍筋間距和最小直徑的要求。影響框架柱最小配筋率的因素很多，有框架柱的類型、抗震等級的高低、場地條件的影響、混凝土及鋼筋強度等級的高低等。本條第2款第2）項主要考慮當箍筋直徑較大且肢數較多時，箍筋的凈距偏小不利于混凝土澆筑，故將箍筋的間距適當放寬，以便于施工和保證混凝土的澆筑質量。但箍筋的間距放寬后，柱的體積配箍率仍需滿足相關要求。對箍筋的肢距要求，是為保證箍筋對混凝土及受壓鋼筋的有效約束。

3、剪力墻

剪力墻的截面厚度應滿足《高規》7.2.1條的規定，并應符合《高規》附錄D對墻體穩定驗算要求。實際工程中，在墻肢平面外設置約束構件對提高墻肢的承載力及墻肢的穩定性作用明顯。有試驗表明：有平面外約束的墻肢與平面外無約束矩形截面墻肢相比，不僅墻板的穩定性明顯改善，而且其極限承載力約提高40%，極限層間位移角約增加一倍，對地震能量的耗能能力大20%左右。樓梯間外部剪力墻承受少量的豎向荷載，地震時容易出現拉應力，墻的計算長度不能按上、下樓梯高度取值，墻的穩定性不能完全由程序自動驗算，應進行必要的復核計算。應采取措施加強墻與樓層及休息平臺的連接，必要時應加大樓梯板厚度，樓梯短向鋼筋應加大并按受拉錨固要求錨入墻內，梯板沿長向板邊設置暗梁或鋼筋帶，加大梯板的平面內剛度并給墻以較大的平面外約束。

高層剪力墻結構的豎向和水平分布鋼筋不應單排配置。其配筋要求應滿足《高規》7.2.3條對鋼筋排數的要求。當剪力墻厚度較大時，如果只配置雙排配筋，則在墻厚中部形成大面積的素混凝土，將導致剪力墻截面應力的不均勻，因此，要采用三排或四排，每排鋼筋包含水平分布鋼筋及豎向分布鋼筋。截面設計所需總配筋可分配在各排分布筋中，靠墻面的配筋比例可適當加大。對結構重要部位的剪力墻，其水平和豎向分布筋的配筋率宜適當提高，對溫度、收縮應力較大的部位，水平分布筋的配筋率宜適當提高。需加強配置水平及豎向分布筋的剪力墻有：剪力墻頂層、樓、電梯間墻體、端開間的縱向剪力墻、端山墻等。

剪力墻兩端和洞口兩側應設置邊緣構件，當剪力墻底層墻底截面的軸壓比大于《高規》表7.2.14的規定值時，以及部分框支剪力墻結構的剪力墻，應在底部加強部位及相鄰上一層設置約束邊緣構件，對地面以下，約束邊緣構件應延伸至嵌固端的下一層，當嵌固端位于基礎頂面時，延伸至基礎。以底層墻肢的軸壓比作為判斷是否設置約束邊緣構件的依據，是建立在墻肢在底部加強部位高度范圍內截面不變或均勻變化的基礎上的，即在底部加強部位的高度范圍內，墻肢的最大軸壓比數值應出現在墻底截面。底部加強部位及相鄰上一層的剪力墻，當側向剛度無突變時，墻的厚度不宜改變。對復雜工程，當剪力墻底截面的軸壓比不是最大值時，應以底部加強部位高度范圍內墻肢的最大軸壓比數值來確定是否設置約束邊緣構件。

參考文獻：

[1]《高層建筑混凝土結構技術規程》中國建筑工業出版社JGJ3-2010

[2]朱炳寅，《高層建筑混凝土結構技術規程應用與分析》中國建筑工業出版社，2012年出版