竖向开孔梁的初步探讨

李宏伟，董 猛

商丘市建设工程质量监督站，河南商丘 476000

竖向开孔梁的初步探讨

李宏伟，董 猛

商丘市建设工程质量监督站，河南商丘 476000

随着建筑业的高速发展，人们对建筑功能的要求越来越高，将大量建筑设备应用到工程中，因而产生了竖向开孔梁。本文主要介绍竖向开孔梁的应用现状和研究现状，旨在为进一步深入研究带来启发。

竖向开孔梁；现状；应用；研究

随着21世纪的到来，人们对建筑结构功能的不断提高，由此产生的影响是结构功能发生突破性变化。与之相适应的各种建筑辅助设施如室内给水系统、室内排水系统、室内采暖系统、自动喷水灭火系统等等，它们都是从建筑结构的梁下（或板中）穿过，在梁下占据的高度一般约占层高的1/5～1/4，占用了大量建筑空间，并且也增加了建筑的造价和日常维护费用。这样的结果就是结构使用功能的满足与工程造价的提高等方面的矛盾越来越突出，在高层建筑中尤其如此，同时也极大的限制了建筑设备工程的发展。所有的这些原因促使了管线暗装技术的产生和发展，就是将建筑设备的管线布置在墙梁等建筑结构的构件中，采用钢筋混凝土开孔梁，将管线空间与结构空间合二为一，以此减小建筑设备及其管线所占用的空间。不但为解决这些矛盾提供一个有效的途径，也有助于改善建筑的视觉效果；但同时，也对建筑结构的结构性能和结构的空间和平面布置有很大的影响。

在建筑中，管道一般有两种处理方式，一种是将管道安装在预设的管道井内，以满足室内美观的要求。另外一种方式是将管道埋设在墙、梁内，这些管线埋设在建筑结构内部需要占用相应的空间，从而影响建筑结构的工作状态，这样就会不可避免的出现在梁中开洞的问题。管线在承重梁内穿管敷设的方法有两种，一是在梁中和轴附近垂直于梁长度方向留设水平管道，将设备高度与结构高的合二为一，可以大幅的降低层高。二是在梁的垂直方向留设垂直管道，这样既增加了房屋的使用面积，又改善了房屋的视觉效果。

无论哪一种开孔方法，均会削弱构件的截面，对构件的承载力、裂缝开展和变形均会有很大的影响，在洞口较大时，开洞梁的最大裂缝宽度明显增大。所以，对于开洞梁，除了按照一般梁验算最大弯矩以及剪力处的最大裂缝宽度外，还需要验算开洞处的裂缝宽度。

对于第一种开孔方式，在设计中已有相关的要求，并大量应用于实际工程中。但对于第二种开孔方法，在现行的《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2002）中并未考虑竖向开洞对结构的影响，也未给出相应的计算方法和要求。

1 竖向开孔梁的应用现状和存在问题

1.1 应用现状

在工程现场的调研中发现在实际工程的设计中，考虑了水平开孔梁对承载力的影响，当孔洞尺寸超过规定时，在孔洞部位增加附加钢筋。但在现行《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2002）中并未考虑竖向开洞对结构的影响，也未给出相应的计算方法和要求，即：钢筋混凝土梁是按照没有开孔的状态设计的。而管线安装要从梁中穿越，有时会穿越很多管线，严重削弱了钢筋混凝土梁的有效截面积，对结构承载力造成了影响。

1.2 实际应用中存在的问题

1.2 .1 试验研究未开展

近年来，虽然竖向开孔梁在实际工程中应用越来越多，但对其受力、传力机理的研究不够深入，力学概念模糊不清。

1.2 .2 缺乏计算理论依据

由于受理论研究及设计软件的限制，目前，在设计时只是按照实体梁来设计，并未考虑竖向开孔时对结构的影响，给工程结构的安全带来了严重的隐患。

1.2 .3 设计、施工的随意性大

在实际工程中，因规范没有对竖向开孔梁的设计要求，结构工程师就不再考虑孔洞的影响，安装专业工程师在设计管线时，对于竖向管线位置也没有明确尺寸定位，大多数管线位置是现场确定，没有考虑结构的尺寸限制，随意性较大，影响到结构安全。

2 竖向开孔梁的国内外研究现状

目前，在国内、外的有关文献中还未检索到关于梁的竖向开孔问题的研究资料，在所有的研究中也仅限于对在梁的腹部开设水平孔洞的基本理论研究。主要的研究内容综述如下：

随着人们对建筑结构的功能要求的不断提高，结构中各种辅助设施（如通风、供热、消防、上下水管等）变得越来越庞大，若把这些设备管道从梁底穿越，其后果势必挤占建筑空间，间接地增加了建筑高度。

为了解决这个缺点，国内外学者提出一种方法，即采用钢筋混凝土开孔梁，总体上讲开孔梁与实腹梁相比有共性，也有其特性，在离开孔洞位置稍远的实腹截面其受力特点与实腹梁相同，而开孔处包含了整梁的应力与开孔产生的次应力的叠加，孔角附近有一定程度的应力集中，这就是其特性，在熟悉共性的基础上，处理好特殊性，对开孔部位进行合理设计，满足承载力与变形要求，我们就可以安全地使用开孔梁这一结构形式。目前，我国尚无钢筋混凝土开孔梁的设计方法，国外对开矩形孔梁的研究较早，从文献综述来看，众多学者认同用平行弦空腹桁架模式，孔洞上肢杆为偏压杆，孔洞下肢杆为偏拉杆，截面剪力由上、下肢杆承担。Lorenstren对四根开有矩形孔的T形梁进行试验，虽然试验结果表明拉杆（下肢杆）确实承担部分剪力，但为了简化分析，认为拉杆由于弯曲裂缝的产生而不承担剪力，同时认为孔侧附加箍筋应尽量靠近孔洞。

此后，加拿大的Nasser Karim W[等人对开有大孔的钢筋混凝土简支梁在集中荷载作用下的试验进行观察和分析，由于受当时总体试验条件、理论研究的限制，作者根据其实验的九根开矩形孔梁与一根实腹梁进行对比，提出了一些假设，认为上下肢杆在杆中点存在反弯点，上下肢杆承担的剪力与其截面面积成正比。Barnet George B.等人对18根大尺寸的预应力钢筋混凝T形梁进行试验，试件的变化参数有：孔洞的尺寸、孔洞沿梁跨方向的位置、抗剪腹筋的类型。试验结果表明，高剪力区压杆（下肢杆）的反弯点位置在杆中附近，上肢杆与下肢杆承担的剪力与其抗弯刚度成正比。试验还发现，裂缝对肢杆剪力的分配有显著的影响，而对轴力的影响不明显，孔侧必须配置足够的抗剪腹筋。该作者根据试验结果，提出了确定内力的方法，通过合理的设计，可以在梁腹设置孔洞而不会削弱梁的强度，降低适用性的要求。

国内对于钢筋混凝土开孔梁的研究起步较晚，从1986年起郑州工学院等单位对开洞深梁进行了较系统的试验研究，对开洞深梁的受力性能破坏形态、受弯和受剪承载力以及主要影响因素进行较深入的分析，并提出了开洞深梁受弯、受剪承载力计算和正截面、斜截面抗裂验算的公式以及相应的构造措施。90年代以来华南理工大学在吸收国内外的研究成果上，通过模型梁试验进行研究，对开孔梁的受力性能有了初步的了解，提出了建立在其试验结果上的设计方法。2000年以来，对钢筋混土和预应力钢钢筋混凝土简直梁上开设圆孔的力学性能进行了研究，主要有下几方面内容：1）进行腹部开圆孔梁在孔边加配环筋形式下的试验研究，并从变化环筋配筋、变化斜筋配筋、变化孔洞尺寸等几方面对该种配筋型式进行分析研究；2）进行了腹部开小孔径圆孔梁、开设双圆孔梁的试验研究，获取梁有关部位裂缝产生与开展、应变部分、挠度变化及承载力大小的数据；3）在各实验数据的基础上，对各种型式的开孔梁受力机制与基本力学性能进行了初步的探讨。同时还从实际工程的角度，对各种型式开孔梁的设计提出了可行的建议方案。

刘爱华等在混凝土（PC/RC）开孔梁试验的基础上，讨论了开孔对刚度、开裂荷载、裂缝分布等进行了探讨，并给出了开孔梁强度、变形等方面的设计计算建议。

东南大学的吕志涛、江苏大学的刘荣桂，采用实验研究与理论分析相结合的方法，提出了开孔梁强度、刚度等方面的计算公式，并研究混凝土开孔梁裂缝宽度的性能与验算方法。

南通工学院的刘红梅等通过试验研究和理论分析，分析了开孔梁的受力特性和裂缝发展，提出了混凝土开孔梁可行的补强钢筋配筋方式。

综上所述，国内对开孔梁的研究大多数仅限于水平开设方孔或圆孔梁的承载力、抗裂性能和裂缝发展等方面，研究了孔洞形状、尺寸、钢筋配筋形式对开孔梁的受力性能的影响，探讨了梁的受力性能、内力分析和强度计算方法及配筋构造，分析了开孔梁的受力特性和变形性能等，没有涉及到在混凝土梁上竖向开洞的问题。

[1]刘红梅，金江，王海霞.钢筋混凝土开孔梁试件非线形有 限元分析[J].工业建筑，2005，35（增刊）：117-119.

[2]刘爱华，刘荣贵.混凝土开孔梁试验研究[J].江苏理工大 学学报：自然科学版， 2000，21(3)：10-15.

[3]刘荣桂，吕志涛.混凝土(RC/PC)开孔梁实验研究与理论分 析[J].土木工程学报，2004,37(7)：29-34.

[4]刘荣桂，吕志涛.混凝土(RC/PC)开孔梁抗裂性能与裂缝宽 度验算[J].建筑结构，2001，31(1)：43-45.

[5]蔡健，陈眼云，李静.开圆孔或方孔的钢筋混凝土梁承载 力近似计算[J].华南理工大学学报：自然科学版，1995，23(1)： 44-53.

TU73

A

1674-6708（2010）28-0052-02