梁刚度放大系数对钢框架结构的影响及合理取值

曾 艳 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230001）

梁刚度放大系数对钢框架结构的影响及合理取值

曾 艳 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230001）

文章围绕梁刚度放大系数，运用PKPM2010对一钢框架结构取不同梁刚度放大系数值来对比分析其对结构整体及各构件的影响。根据算例对该系数进行具体计算并与现行规范比较，给出合理使用建议。以此来加强广大结构设计人员对该系数的进一步认识和理解，并为实际设计中该系数的合理取值提供参考。

梁刚度放大系数；自振周期；层间位移角；内力

1 概述

在框架结构的设计中，结构设计师都会遵循“强柱弱梁”的设计概念，但在实际工程中包括汶川地震的震害也表明，现实中经常出现与之违背的“强梁弱柱”的情况。文献[1-2]总结了实际工程出现此种情况的几个重要原因，其中认为现浇楼板对框架梁的刚度和承载力贡献有重要影响。

现阶段，钢结构凭借其建筑平面布置灵活、自重轻、延性和抗震性能好、施工快速、环境污染小等优势，是国家大力推动发展的一种结构形式。其中钢框架结构是目前我国应用最广，也是设计施工最成熟的一种结构体系，因此研究梁放大系数对其影响具有重要的现实意义。

JGJ99-2015《高层民用建筑钢结构技术规程》第6.1.3条[3]规定：高层民用建筑钢结构弹性计算时，钢筋混凝土楼板与钢梁间有可靠连接，可计入钢筋混凝土楼板对钢梁刚度的增大作用，两侧有楼板的钢梁其惯性矩可取为1.5Ib，仅一侧有楼板的钢梁其惯性矩可取为1.2Ib，Ib为钢梁截面惯性矩。但在实际工程中，不少设计人员会对其进行调整，导致同一结构的梁柱应力、结构振型、结构位移等指标均存在均存在差异。因此有必要让广大设计人员明白该系数的变动对钢框架结构各指标的确切影响。

本文首先分析了钢梁刚度放大系数的不同取值对钢框架结构分析结果的影响，然后和现有规范比较，为钢结构工程设计人员在根据现有规范对该系数进行调整选用时提供了参考。

2 钢梁放大系数对结构的影响

钢梁放大系数对结构的影响是多方面的，下文采用结构设计和分析软件PKPM2010对7度区一个6层钢框架进行建模分析，通过选用不同的梁刚度放大系数来探究其对结构整体指标以及构件内力的影响。

模型（图1、2）总共6层，层高3m，其中柱截面尺寸均为350×350×10×10，梁截面尺寸见图2。板厚120mm，混凝土强度等级C30。

图1 计算模型

图2 标准层结构平面

2.1 梁刚度放大系数对结构周期的影响

该模型采用不同的梁刚度放大系数计算后的结构前三阶自振周期对比见表1。从表中计算结果可以看出，第一，结构的前三阶自振周期均随着梁刚度放大系数的增大而逐渐减小，即结构的整体刚度不断增大。第二，按规范计算得到的自振周期介于梁刚度放大系数取1.4～1.6所得到的周期，这和上面这条规律相呼应。

梁刚度放大系数对结构周期的影响 表1

不同水平荷载工况下的结构最大层间位移角 表2

梁刚度放大系数对结构构件内力的影响 表3

2.2 梁刚度放大系数对结构位移的影响

梁刚度放大系数影响结构整体刚度，显然其对结构的整体位移亦会产生不可忽视的影响，计算结果见表2。由表中计算结果可知，无论对应于何种水平荷载工况，结构的最大层间位移角均随梁刚度放大系数的增大而不断减小，这和结构刚度的不断变大正好呼应。

2.3 梁刚度放大系数对构件应力比的影响

随着梁刚度的增大，结构在各水平力作用下抗力的分配亦会发生变化，因此结构各构件承受的轴力、弯矩、剪力等均会发生相应变化。由于篇幅限制，本文仅选取了中梁L1和第二跨底层中柱进行比较分析，结果见表3。从表中结果可以看出，钢梁的梁端最大弯矩和剪力均随钢梁放大系数的增大而逐渐变大；钢柱的柱底轴力随钢梁放大系数的增大而逐渐变大，而钢柱的最大弯矩和剪力均随钢梁放大系数的增大而有所变小。

3 钢梁放大系数的计算方法及合理取值

《钢结构设计规范》（GB50017-2003）的11.1.2条和11.4.2条[4]给出了现浇混凝土板对梁刚度影响的具体计算方法，现取算例中的中跨L1（H400×150×8× 10）进行计算分析。

在荷载短期效应组合下：

在荷载长期效应组合下：

式中：A为L1的横截面面积；I为L1的横截面惯性矩；Ec为楼板混凝土的弹性模量；Es为钢梁对应材料的弹性模量；be为混凝土翼板的有效宽度；beq为混凝土翼板的换算宽度；yc为组合截面形心竖向坐标；Ieq为组合截面惯性矩；ζ为刚度折减系数。

由上述计算结果可知，考虑现浇楼板同钢梁受压翼缘共同作用，即按钢与混凝土组合梁进行结构计算分析，组合梁的刚度在荷载短期效应组合下和荷载长期效应组合下将分别增大为原钢梁刚度的2.78倍和2.56倍。和现行规范比较可知，规范只是偏保守地考虑了部分现浇板对钢梁承载力提高的有利作用。

在结构设计中，按照规范取值既利用了楼板对钢梁刚度和承载力提高的部分有利作用，又保证了结构“强柱弱梁”理念的实现，一般情况下均可按规范取值。对结构变形和位移要求比较严格的特殊情况，可适当加大梁刚度放大系数的取值。

4 结论

①梁刚度放大系数对结构的整体刚度、结构自振周期、结构最大层间位移角均有明显的影响。随着梁刚度放大系数的增大，结构的整体刚度提高，同时，结构的自振周期和结构最大层间位移角减小，即结构会整体变“刚”。

②结构构件的内力也受梁刚度放大系数的影响，且梁对该系数的敏感程度要高于柱。

③梁刚度放大系数按照现行规范取值时，既能利用楼板对钢梁刚度增加和承载力提高的部分有利作用，又能实现“强柱弱梁”的目标，是偏于安全的。对结构变形和位移要求比较严格的特殊情况，且楼板和钢梁有可靠连接时，可适当加大梁刚度放大系数的取值，但由于该系数会增大钢梁内力导致梁截面增大，会影响“强柱弱梁”的实现，因此，增大该系数的同时，宜适当放宽钢梁的应力比限值，以利用潜在的现浇楼板的有利作用。

[1]叶列平，等.从汶川地震中框架结构震害谈“强柱弱梁”屈服机制的实现[J].建筑结构，2008,38（11）：52-59.

[2]蒋永生，等.整浇梁板的框架节点抗震研究[J].建筑结构学报,1994(6)：11-16.

[3]JGJ99-2015，高层民用建筑钢结构技术规程[S].

[4]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

TU391

A

1007-7359（2016）06-0135-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.051

曾艳（1983-），女，安徽合肥人，毕业于安徽建筑大学，学士，工程师。