淺析梁端約束在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件有關(guān)，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(fā)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設計人員進行分析和探討。

【關(guān)鍵詞】梁端約束；剪扭驗算；極限狀態(tài)

【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(xiàn)階段的結(jié)構(gòu)設計中，常見的主要結(jié)構(gòu)形式有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和框-剪結(jié)構(gòu)以及少數(shù)的磚混結(jié)構(gòu)，無論在何種結(jié)構(gòu)形式下，結(jié)構(gòu)梁是結(jié)構(gòu)體系中基本的水平受力構(gòu)件，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)梁的基本作用是承受結(jié)構(gòu)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(gòu)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(qū)，框架梁也是傳遞水平地震作用，提供結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件相互聯(lián)系所必須的水平受力構(gòu)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(nèi)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(xié)調(diào)條件和本構(gòu)關(guān)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(jù)二者的剛度判斷為鉸支或固定。眾所周之，在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件中不存在剛體。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系。

（3）【案例】以某工程住宅小區(qū)位于7度區(qū)，地下一層為車庫，地上26層為住宅，結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑高度為75.8m?？拐鸬燃墳槿?，其結(jié)構(gòu)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(jié)果（圖2）顯示KL2截面剪扭驗算超限，經(jīng)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(jīng)再次計算程序無錯誤提示后按計算結(jié)果（圖3）進行結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)生裂縫而無法滿足結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)。

（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(jié)果是否正確。

（4）首先我們來分析機算結(jié)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(jù)規(guī)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(xiàn)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(jīng)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(jù)各構(gòu)件的剛度計算出的彎矩、剪力等構(gòu)件內(nèi)力，圖2與圖3的計算結(jié)果有較大的差別，若人為地對構(gòu)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(jié)構(gòu)正常使用甚至出現(xiàn)安全隱患。

3. 結(jié)束語

（1）對于以上情況作者人給出以下處理方案來保證結(jié)構(gòu)設計的合理性和計算結(jié)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(nèi)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(guān)參數(shù)并進行詳細分析。方案三，可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)平面布置，如增設豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件、改變結(jié)構(gòu)梁的平面位置使結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)設計規(guī)范》GB50010-2010.

[2]《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2010（2016年版）.

[3]《全國民用建筑工程設計技術(shù)措施》（混凝土結(jié)構(gòu)）.

[4]《全國民用建筑工程設計技術(shù)措施》（結(jié)構(gòu)體系）.

[5]《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊》（第四版）.

[6]《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》16G101-1.

[文章編號]1619-2737（2017）06-22-958