梁柱節(jié)點剛域?qū)こ淘O(shè)計的影響分析

孫 振 周

(南寧市建筑設(shè)計院，廣西 南寧 530002)

1 概述

梁柱節(jié)點區(qū)域剛度較大，變形較小，可視為一剛性區(qū)域考慮，即剛域。國內(nèi)通用結(jié)構(gòu)設(shè)計兩大軟件(YJK軟件和SATWE軟件)均可考慮剛域?qū)こ探Y(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，但兩軟件對剛域長度的處理稍有不同。YJK軟件嚴格按JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(以下簡稱高規(guī))5.3.4條規(guī)定簡化梁端剛域及柱端剛域，即梁、柱計算長度及端截面位置均取到剛域邊，梁、柱端剛域可分別控制。不考慮剛域時計算長度及端截面均取到端節(jié)點。SATWE軟件在《高規(guī)》規(guī)定的基礎(chǔ)上對柱端剛域計算長度做了修正，梁端剛域長度按《高規(guī)》的規(guī)定，具體詳見文獻[2]。

《高規(guī)》中建議在結(jié)構(gòu)整體計算中宜考慮梁柱節(jié)點區(qū)剛域的影響。在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，可以適當(dāng)減少梁端彎矩，從而減少配筋量。但部分設(shè)計、審查人員認為不宜考慮梁柱節(jié)點剛域的影響，特別是柱端剛域，這樣可以增加結(jié)構(gòu)的安全儲備。

在實際工程設(shè)計中，連續(xù)梁內(nèi)長短跨相間的結(jié)構(gòu)比較常見，比如教學(xué)樓、學(xué)生宿舍、藝術(shù)中心等。長短跨梁線剛度差別較大，對剛域的敏感程度不同，因此如何正確處理梁柱節(jié)點剛域?qū)Y(jié)構(gòu)整體計算分析尤為重要。本文以長短跨框架結(jié)構(gòu)為例，用YJK結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件建模分析梁、柱節(jié)點剛域?qū)Y(jié)構(gòu)的整體指標和高跨比不同的梁內(nèi)力配筋的影響，并提出合理的剛域處理方法。

2 工程實例

南寧市某文化藝術(shù)中心，地下2層，地上9層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上1層層高6 000 mm，其余層層高4 000 mm，總高度為38.200 m，如圖1，圖2所示。抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，抗震等級為二級。地下室頂板作為嵌固端，框架柱混凝土強度等級為C60～C25,梁板混凝土等級為C25。標準層恒荷載為1.5 kN/m2，活荷載為2.0 kN/m2，屋面荷載為4.5 kN/m2，活荷載為3.5 kN/m2?？蛑孛娉叽鐬?00 mm×600 mm，X向框架梁截面尺寸為250 mm×700 mm，Y向長跨框架梁為300 mm×700 mm，短跨框架梁為300 mm×400 mm，主要次梁截面尺寸為250 mm×600 mm。

3 分析結(jié)果

本文考慮四種模型對比分析，模型一：不考慮梁、柱端剛域；模型二：考慮梁、柱端剛域；模型三：僅考慮梁端剛域；模型四：僅考慮柱端剛域。對比分析在各模型下結(jié)構(gòu)整體指標參數(shù)及梁彎矩、配筋。A梁截面高度為300 mm×700 mm，高跨比約為1/14，B梁截面高度為250 mm×700 mm，高跨比約為1/14，C梁截面高度為300 mm×400 mm，高跨比約為1/7。

3.1 剛域?qū)φw指標參數(shù)的影響

表1 各模型下結(jié)構(gòu)剛重比對比(地震作用下)

從理論分析可知，考慮梁、柱剛域后，梁、柱線剛度增大，使得結(jié)構(gòu)整體剛度增大，從表1可知，YJK軟件計算結(jié)果與理論分析吻合。與不考慮剛域的模型對比，考慮剛域的模型剛重比均變大，其中同時考慮梁、柱剛域?qū)Y(jié)構(gòu)剛重比影響最大，X向剛度增大11.5%，Y向剛度增大6.8%。僅考慮梁端剛域時對結(jié)構(gòu)剛重比的影響與同時考慮梁柱剛域的影響比較接近，僅考慮柱端剛域時對結(jié)構(gòu)剛重比影響相對較小。

表2 各模型下結(jié)構(gòu)層間位移角對比(地震作用下)

表3 各模型下周期對比 s

從表2，表3的計算結(jié)果分析，與不考慮剛域的模型對比，考慮剛域的模型層間位移角、周期均變小，其中同時考慮梁、柱剛域?qū)Y(jié)構(gòu)層間位移角、周期的影響最大，其次是僅考慮梁端剛域，僅考慮柱端剛域?qū)娱g位移角、周期的影響相對較小。

3.2 剛域?qū)α簭澗丶芭浣畹挠绊?/h3>

以模型第6標準層計算結(jié)果分析梁柱節(jié)點剛域?qū)α簭澗丶芭浣畹挠绊?，如?，表5所示。

對比表4可知，在1.2倍恒載+1.4倍活載工況下，考慮梁柱剛域的A，B梁彎矩比不考慮梁柱剛域的彎矩均減少，而考慮梁柱剛域的C梁彎矩比不考慮梁柱剛域的彎矩均增加。這是因為考慮梁柱剛域效應(yīng)后結(jié)構(gòu)的整體剛度和內(nèi)力會重新分配，跨高比小的梁比跨高比大的梁內(nèi)力變化更敏感，隨著整體剛度的增大，梁端彎矩增大?？绺弑刃〉牧嚎紤]剛域效應(yīng)的彎矩大于不考慮剛域效應(yīng)的梁柱節(jié)點處的彎矩；而跨高比大的梁對梁端彎矩取值點更敏感。從表5各模型下梁配筋值也可論證考慮梁柱剛域效應(yīng)導(dǎo)致整體剛度的增加對不同跨高比梁配筋的影響。

表4 各模型在1.2恒載+1.4活荷載下彎矩對比 kN·m

表5各模型配筋對比 cm2

4 結(jié)論及建議

本文通過是否考慮梁柱節(jié)點剛域?qū)Y(jié)構(gòu)整體指標參數(shù)及梁內(nèi)力配筋的影響，得出以下結(jié)論和建議：

1)梁端剛域?qū)Y(jié)構(gòu)剛重比、層間位移角及周期的影響比較顯著，柱剛域影響相對比較小。建議實際工程計算框架結(jié)構(gòu)整體參數(shù)指標時需考慮梁端剛域的影響。

2)梁柱剛域?qū)Σ煌绺弑攘旱膬?nèi)力及配筋影響不同?？紤]梁柱剛域后結(jié)構(gòu)整體剛度增大，內(nèi)力重新分配，使得跨高比小的梁彎矩配筋增大，跨高比大的梁彎矩配筋減小。因此不能忽略梁柱節(jié)點剛域?qū)?gòu)件內(nèi)力及配筋的影響，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，建議宜同時考慮梁柱節(jié)點剛域，特別是帶有長短跨的框架結(jié)構(gòu)。