四個建筑結(jié)構(gòu)常見問題的探討

楊 亮

（亞瑞建筑設(shè)計有限公司湖南設(shè)計院，湖南 長沙 410000）

1 主次懸臂梁的設(shè)計

朱炳寅談到主次懸臂梁的設(shè)計，當不考慮結(jié)構(gòu)的空間作用時，主懸臂梁內(nèi)力偏小，設(shè)計應(yīng)留有余地[1]。此條是手算時代的產(chǎn)物，目前，常規(guī)計算程序都可以考慮空間作用。張元坤、李盛勇亦建議框架懸臂梁應(yīng)加強配筋[2]。

朱著中又提到“當考慮結(jié)構(gòu)的空間作用時，次懸臂梁內(nèi)力偏小，設(shè)計應(yīng)留有余地。”從懸挑部分全受力過程的角度，此項建議似可探討。

懸挑部分在一跨內(nèi)的總靜力彎矩：

其中：w—均布靜力荷載；Lx—懸挑長度；LY—縱向跨度。

當封口梁和懸挑部分板強度足夠傳力時，無論采用何種計算方法，主次懸臂梁的總靜力彎矩相同，即M主+M次=M0，懸挑部分總極限承載力相同，如能保證正常使用狀態(tài)下裂縫和撓度滿足要求，可允許內(nèi)力進行重分布，只是受力狀態(tài)與彈性狀態(tài)不同。

第一階段，考慮結(jié)構(gòu)的空間作用時，彈性狀態(tài)下因次懸挑梁的支座主梁的撓曲變形，就有M主1+M次1=M0，主、次梁間隔布置時，有M主1＞M次1，主、次挑梁承載力按此內(nèi)力配置。

第二階段，假定主、次懸挑梁自身長期剛度一致，因為主懸挑梁配筋率大于次懸挑梁，設(shè)計中主次挑梁截面一樣，主挑梁的長期剛度略大于次挑梁，此時次挑梁的支座梁長期剛度下降，撓曲變形加大，荷載從次挑梁傳遞至主挑梁，此時有M主2+M次2=M0，M主2＞M主1主挑梁鋼筋進入屈服階段，M次1＞M次2次挑梁處于彈性狀態(tài)。這是第一次內(nèi)力重分布。

第三階段，懸挑部分荷載繼續(xù)增加，主挑梁已屈服，先達至極限狀態(tài)，而次挑梁配筋足夠，主挑梁的下?lián)献冃未笥诖翁袅合聯(lián)献冃?支座梁下?lián)献冃危隽亢奢d更多傳遞至次挑梁，次挑梁也達至極限狀態(tài)，這是第二次內(nèi)力重分布。

第四階段，當懸挑結(jié)構(gòu)從第二階段進入中大震時，次懸挑梁的支座梁進入屈服狀態(tài)，靜力荷載傳遞取決于主挑梁的下?lián)献冃闻c次挑梁下?lián)献冃?支座梁進入塑性狀態(tài)的下?lián)献冃?，當支座梁塑性變形較大時，主挑梁有可能超載破壞，雖未直接承擔水平地震力，但有可能因水平地震力塌了。

從這個全階段受力過程分析中，可以發(fā)現(xiàn)主挑梁的承載力相對于次挑梁來說總是不夠的。因此，建議對于懸挑這種靜定結(jié)構(gòu)，次挑梁留有余地，主挑梁留有更大的余地，封口梁及懸挑板要考慮內(nèi)力重分布的傳力進行適當放大。主挑梁的相對受壓區(qū)高度按混凝土規(guī)范5.4.3條要求不超過0.35，令A(yù)s=ρ×b×h0，x×b×fc=As×fy，x≤0.35，根據(jù)常規(guī)設(shè)計C30混凝土等級，HRB400鋼筋，化簡得配筋率ρ≥1.4%時，主懸挑梁須考慮受壓鋼筋。

2 鋼筋混凝土梁端鉸接時的配筋構(gòu)造

當梁端按簡支計算但實際受到部分約束時配筋要求[3]，此條說明根據(jù)工程經(jīng)驗，避免負彎矩裂縫而配置縱向鋼筋的構(gòu)造規(guī)定。

根據(jù)此要求給出圖3.2.3（砌體墻或磚柱上梁的受力鋼筋的錨固）和圖3.2.4（梁與梁的受力鋼筋錨固）[4]。對于砌體墻或磚柱上梁支座負筋按此構(gòu)造沒有疑義；但整體現(xiàn)澆的梁梁節(jié)點，如按彈性計算次梁支座負彎矩值較大時，按此構(gòu)造則帶來如下兩個問題。

雖然延伸長度未達到支座負筋的常規(guī)1/3 L0長度要求，但此支座負筋亦能承擔相應(yīng)的支座彎矩，因次梁簡支，主梁無法考慮此項扭矩，主梁設(shè)計偏不安全。同時設(shè)計實務(wù)中，常未注明此處設(shè)計按鉸接，施工時延伸長度按常規(guī)做法；單跨簡支次梁跨中下部縱筋一般會做放大處理，而支座負筋根據(jù)放大后的跨中縱筋確定；此兩項實務(wù)處理惡化此問題。

梁支撐于砌體墻時，支座彎矩無法進行簡單計算得出，但梁梁節(jié)點處次梁支座負彎矩可根據(jù)相對剛度用常規(guī)軟件計算得出，亦可根據(jù)此彎矩計算裂縫寬度，無須再根據(jù)工程經(jīng)驗進行配筋設(shè)置。有些設(shè)計師根據(jù)此條要求進行推論，當次梁支座未按簡支計算，得出的計算配筋值小于跨中下部縱筋的1/4，亦根據(jù)此1/4的跨中縱筋值放大支座負彎矩筋，此做法更不推薦。

建議對常規(guī)情況，次梁兩端按彈性計算；對于某些受荷較小的短跨小次梁，可按簡支計算。設(shè)計實務(wù)中常出現(xiàn)一種情況，次梁跨度較大時，傳遞給主梁的扭矩過大，主梁扭剪截面驗算通不過，加大主梁截面時，因同時抗扭剛度加大，導(dǎo)致次梁傳遞的扭矩同時加大，某些情況下會造成情況惡化，主梁扭剪驗算無法通過。此時解決辦法常使次梁兩端簡支，計算通過。但次梁支座負筋如何配置，如按跨中縱筋的1/4，既滿足混規(guī)9.2.6條的規(guī)定，計算書亦無超筋項，送審得以通過。但此舉無異掩耳盜鈴，主梁扭剪問題仍未解決，而且邊柱繞主梁軸向的彎矩被人為減小，邊柱設(shè)計偏不安全?；煲?guī)5.4.4條建議協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)時，支撐梁的扭矩考慮內(nèi)力重分布的影響，有兩種思路考慮：整體結(jié)構(gòu)按彈性計算，主梁扭剪截面驗算無法通過時，反算能承擔的次梁支座彎矩，根據(jù)此彎矩進行次梁支座負筋配置，同時將與彈性計算時負彎矩差值增至跨中彎矩，最后用彈性支座負彎矩和實配支座鋼筋進行裂縫計算；第二種直接進行次梁支座彎矩的調(diào)幅，調(diào)幅系數(shù)0.75～0.85。

3 恒活分項系數(shù)的提高對結(jié)構(gòu)抗震的影響

白紹良教授[5]提到在“R-u基本準則”的問題上，我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范與美國、新西蘭及歐盟規(guī)范存在原則差異，即當各設(shè)防烈度區(qū)的設(shè)計用地震力降低系數(shù)R取值相同時，延性需求u也應(yīng)當大致相同，但我國規(guī)范保證延性的抗震措施卻按抗震等級逐次遞減，導(dǎo)致按規(guī)范設(shè)計的結(jié)構(gòu)低烈度區(qū)相比高烈度區(qū)大震下抗震能力變?nèi)酢?/p>

2008年汶川地震后，相關(guān)的規(guī)范進行重編。陸新征教授在2009～2011年做了一系列相關(guān)研究，證明現(xiàn)行規(guī)范并未解決白教授指出的這個問題。

近來，新發(fā)布的《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》中恒活分項系數(shù)皆有提高，陸新征課題組早在2017年就做了相關(guān)研究，文章中提到大部分增加的鋼筋位于水平構(gòu)件內(nèi)，豎向構(gòu)件增加有限，因大部分柱配筋由構(gòu)造控制，結(jié)論中提到初始倒塌始于底層的倒塌模式，調(diào)整措施能明顯提高框架結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力；隨著設(shè)防烈度的提高，調(diào)整措施對框架結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力提高程度略有降低。但如果框架結(jié)構(gòu)上部樓層存在明顯薄弱層，結(jié)構(gòu)初始倒塌始于上部樓層，調(diào)整措施反而可能會使結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力降低。此結(jié)論有一定的探討空間，從實際設(shè)計經(jīng)驗上，如果軸壓比能通過提高一級混凝土等級解決，是不會增加柱截面的，因此柱的實際抗彎能力不會有太大變化，而梁、板的抗彎能力是隨分項系數(shù)提高同比例提高，同時，常規(guī)梁-板體系設(shè)計中，板按彈性算法、板配筋由構(gòu)造控制、梁實際是雙筋截面卻按單筋驗算等進一步加大樓蓋的抗彎能力，除非柱設(shè)計彎矩是按梁實配鋼筋反算，通常情況下，會形成“強梁弱柱”效應(yīng)，再加之抗震措施卻按抗震等級逐次遞減的先天缺陷，越是低烈度區(qū)，越會形成柱鉸機制。這也是陸文中結(jié)構(gòu)初始倒塌始于上部樓層，其抗倒塌能力降低的原因，柱截面未增大，抗彎能力未隨梁抗彎能力相應(yīng)提高；其他底層抗倒塌能力提高，依賴于控制軸壓比而加大的柱截面。

從提高結(jié)構(gòu)安全度、提高耐久性、與國際先進國家接軌的角度出發(fā)，提高荷載分項系數(shù)是大勢所趨，但由于抗震問題的復(fù)雜性，特別是現(xiàn)有規(guī)范抗震延性要求按抗震等級逐次遞減的缺陷，單方面變化可能會導(dǎo)致問題惡化，希望《可靠性標準》的修訂是后續(xù)一系列規(guī)范修訂的先行者。

4 扭矩折減系數(shù)

主梁協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)時，可考慮梁開裂剛度退化后內(nèi)力重分布，對次梁負彎矩進行調(diào)幅，同時，對主梁扭矩進行同等折減。但設(shè)計時已根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.2.4條進行扭矩折減，常規(guī)設(shè)計取折減系數(shù)0.4，協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)時對主梁扭矩的折減能否與之同時考慮，值得進一步討論。

高規(guī)5.2.4條條文說明主梁扭矩折減系考慮樓板（有時還有次梁）的約束作用，可對梁的計算扭矩予以適當折減。但因扭矩折減系數(shù)的變化幅度較大，未對折減系數(shù)作明確要求。張艷茹，李云貴論文《梁扭矩折減系數(shù)的取值研究》中對彈性狀態(tài)下梁-板結(jié)構(gòu)采用有限元進行分析，其結(jié)論是邊梁扭矩折減系數(shù)取值在0.4左右，差異不大，此說與高規(guī)條文說明中扭矩折減系數(shù)的變化幅度較大不符，似有進一步討論的空間。從其結(jié)論看一般工程取值在0.4時，可以在此基礎(chǔ)上考慮協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)的進一步折減。

協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)的折減不建議體現(xiàn)在程序開關(guān)扭矩折減系數(shù)中，雖然程序按此系數(shù)折減梁的扭矩，但此扭矩傳遞至柱上的彎矩在程序中并未折減，理論上也不能折減；而協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)折減部分是徹底在結(jié)構(gòu)中消失了，不傳遞至柱上。當梁平衡扭轉(zhuǎn)時，沒有內(nèi)力重分布，如果統(tǒng)一考慮協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)的折減，則會減少梁實際承擔的扭矩，降低梁的安全度。

PKPM程序缺省對弧梁不進行扭矩折減，因弧梁亦與樓板相連，亦可考慮樓板對其抗扭的貢獻，此項缺省偏保守，可能因弧梁扭轉(zhuǎn)為平衡扭轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)換梁上墻柱偏心產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)及在程序中手動輸入的扭矩皆為平衡扭轉(zhuǎn)，亦進行扭矩折減。

樓蓋梁-板體系整體受力，但分開計算、設(shè)計。扭矩折減系數(shù)同梁剛度放大系數(shù)一樣，同為此狀況下不得已的工程近似。