浅谈加腋梁在框架结构设计中的具体应用

陈清流

(福州市建筑设计院　福建福州　350011)



浅谈加腋梁在框架结构设计中的具体应用

陈清流

(福州市建筑设计院福建福州350011)

随着生产建设的大力发展，加腋梁在大跨度框架结构中的应用越来越多，然而现行规范对此类结构构件尚未有明确、系统的论述，使得施工图设计、审查无据可依。文章以实际工程为例，结合PKPM软件进行分析，分析结果表明:在框架梁支座区进行竖向加腋，梁的截面高度增大，配筋用量减少，有效地降低支座纵向钢筋的密集度，便于施工；同时，加腋可提高节点的可靠度，并使梁端的剪应力变小，减少箍筋用量。采用竖向加腋梁，可使梁的内力分布更加合理，也在一定程度上改善了梁的受力情况。

竖向加腋梁；框架结构；大跨度；内力；配筋

0　引言

在大型公共建筑和现代工业厂房中，随着跨度和荷载的不断增大，特别是框架结构跨度的影响，在荷载的最不利组合下，梁的支座负弯矩明显增大，部分梁的支座负弯矩可达到跨中弯矩的2倍～3倍，甚至更多，在这种情况下，梁采用同一截面高度，显然是不合理的。采用同一截面高度的梁会造成支座处的钢筋过多过密，施工时比较困难，而且跨中配筋率太小，经济性差。此时采用变截面的方式即对弯矩大的支座处进行竖向加腋，则较为容易实现对梁支座处配筋率的控制。然而，对于框架梁的竖向加腋，我国《混凝土结构设计规范(GB50010—2010)》[1]第3.5.2条第三款仅做了一般性规定，并没有给出梁的加腋部分尺寸参数，也没有对具体的控制指标给予量化，使得施工图设计、审查均无据可依。《建筑抗震设计规范(GB50011—2010)》[2]第6.1.5条条文说明，也仅对框架梁柱偏心距过大所采取的水平加腋的措施做出了规定。由此可知，现行规范对梁的加腋尚未有明确、系统的论述。本文结合工程实例，浅谈加腋梁在框架结构设计中的具体应用。

1　对框架梁加腋的认识

加腋梁可分为水平加腋与竖向加腋，其所适用的范围是不一致的，水平加腋是为了改善梁柱偏心过大而引起的节点核心区抗震性能，即提高节点核心区的承载能力和能量耗散的能力；而竖向加腋为了尽可能满足建筑物的净空要求以及有效地解决梁支座处配筋过大的难题。工程中，竖向加腋梁通常采用对称斜直线加腋梁，一般以横截面的形心连线作为中性轴，则可将横截面沿着高度变化的竖向加腋梁简化成一空间曲梁。需要注意的是，实际工程中的加腋仍然为梁端加腋，而不是节点核心区加腋[3]。在荷载作用下，加腋梁中存在不可忽略的轴力，轴力和剪力的数值在数量级上是相同的，所以广州容柏生建筑工程设计事务所徐重人指出：加腋梁是天生的预应力梁，具有着较大的经济效应[4]。当梁的跨度很大时，宜同时考虑采用预应力方案，以控制挠度和裂缝宽度，优化设计[5]。考虑梁的弹塑性设计是可以取梁净跨的[6]。在进行加腋梁设计时，要考虑到《混凝土结构设计规范(GB50010—2010)》[1]第3.5.2条第三款的规定，即应考虑其截面变化对结构分析的影响。加腋梁除了通常按最大正负弯矩进行配筋外，还应验算加腋尾截面处(至少一个截面)的梁顶配筋。在大跨度框架结构的设计中，梁的截面高度较大，特别是梁端加腋部分，必须考虑其对柱子净高的影响，尽量避免出现短柱，剪跨比不满足规范要求。同时，还应注意到梁的竖向加腋会对结构抗震性能造成不利的影响，在一定程度上削弱了“强柱弱梁”的延性地震破坏机制。

2　工程实例分析

某印刷车间为框架结构，地下室1层，地上4层，结构高度约为23.70m，工程抗震设防类别为丙类，位于福州市晋安地区，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组，三类场地，结构立面示意图如图1所示，二层结构平面布置图如图2所示。本印刷车间跨度比较大，跨度为9.0m左右，而且荷载不小，特别是活荷载，根据车间的用途和设备的相关参数，荷载取值也是不一样的，地下室顶板上的活荷载取30kN/m2，二层的活荷载取25kN/m2，三四层的活荷载取15kN/m2。

设计以下两个方案进行比较研究：

方案一：均布置普通框架梁，梁尺寸参数：横轴的梁尺寸350mm×1 000mm；纵轴的梁尺寸450mm×1 200mm。

方案二：在荷载大的部位，对梁进行竖向加腋；在跨度较小或者荷载不大的部位，梁按照普通梁进行设计。加腋梁尺寸参数：横轴的支座加腋高度[4]αh=0.5×800=400mm，加腋长度[4]βL=0.2×9 000=1 800mm；纵轴的支座加腋高度αh=0.5×1 000=500mm，加腋长度βL=0.2×9 000=1 800mm；两种方案的板厚均为120mm。方案一和方案二均采用PKPM软件电算。

上述两种方案经电算后，选择中间一根梁来进行分析对比，其内力计算结果如对比表1所示，梁的配筋值对比如表2所示。

表1　梁的内力计算结果对比

注：弯矩的单位为kN·m，剪力的单位为kN。

由表1可知，加腋梁的支座弯矩比等截面梁的支座弯矩略大一些，增幅在7%～8%，而加腋梁的跨中弯矩变小了，减幅在18%左右。究其原因，加腋梁的支座区域刚度增加了，使支座弯矩随之上升；而跨中则相反。加腋梁的剪力比等截面梁的剪力小，这主要是由于加腋梁的有效高度增大了，适应了内力重分布的需要。

表2　梁的内力计算结果对比

注：配筋值的单位为mm2

由表2可知，与等效截面梁的配筋值相比，加腋梁的配筋值均有不同程度的降低，支座处的配筋值下降了21.4%左右，跨中则下降了8.6%。这说明了采用加腋梁方案可以有效地降低梁支座配筋，解决了施工中支座钢筋密集的问题，便于施工，而且经济效益明显。

在加腋梁的设计当中，尚应注意的几个问题：

(1)在确定框架梁加腋尺寸时，要充分考虑梁柱节点域的影响，建模时加腋尺寸应加上伸入节点域的尺寸。

(2)梁的加腋对内力及配筋的影响规律，对于各种非简支梁结构是适用的，对简支单跨梁而言，很显然地只可提高抗剪强度，不能提高抗弯强度。

3　结论

在实际大跨度结构中，应充分运用梁的加腋进行结构设计。在工程实例的设计过程中，得到如下结论：

(1)对框架梁进行竖向加腋，不仅可以让梁的内力分布更加合理，也在一定程度上改善了梁的受力情况。

(2)在弯矩和剪力较大的梁支座区，通过加腋，梁的截面高度增大，可减小配筋量，有效地降低支座纵向钢筋密集度；再者，加腋对布置钢筋有利，提高节点的可靠度，还可以使梁端的剪应力变小，减少箍筋用量，从而降低工程造价。

对今后加腋梁在框架结构中的应用及研究，有如下展望：

(1)可通过对加腋梁和加腋板的配合使用进行研究，分析加腋梁板对内力及配筋的影响及其产生的经济效应，并将其应用到之后的结构分析中。

(2)考虑不同的加腋梁形式(如斜直线、平直线、曲线等)对框架梁内力以及整体结构的影响，通过对比和优化确定最佳的加腋梁形式。

[1]GB 50010—2010 混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[2]GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[3]冉祥富，林红.浅谈加腋梁在框架结构用的应[J].工程技术，2005(3)：96-96.

[4]徐重人.加腋梁的简化计算模型及其解析解[J].建筑结构,2007(37)：84-88.

[5]章杰.探讨钢筋混凝土梁的加腋对内力及配筋的影响[J].结构工程师，2001(1)：12-19.

[6]郑小庆，胡蝶，吴瑜锟.防空地下室顶板加腋梁设计[J].建筑技术，2010(10)：23-26.

Preliminary analysis of the application haunched beam in the design of frame structure

CHEN Qingliu

(Fuzhou Architectural Design Institute, Fuzhou 350011)

As the rapid development of production and construction, haunched beam in large span frame structure is becoming more and more. However, the exposition of current specification for such kind of structure member is not yet clear and systematic, which makes the construction designing and reviewing have no basis. By taking practical project for example and combining PKPM software for analysis in this paper,the analysis results show that vertical haunched performed in the frame beam support area can increase the height of the beam cross-section,can reduce the amount of reinforcement,can effectively reduce the intensity of the bearing longitudinal bars,and construct easily.And haunched beam can improve the reliability of the node and can also make the end of the beam shear stress is reduced, reducing the stirrup.Finally, using vertical haunched beam can make the beam of internal force distribution more reasonable, also to some extent, improved the force of the beam.

The vertical haunched beam; Frame structure; Large span; Internal force; Reinforcement

陈清流(1989.8-)，男，硕士研究生，工程师。E-mail:chen4782xu@126.com

2016-08-05

TU3

A

1004-6135(2016)09-0058-03