建筑结构设计中梁和板的塑性条幅

虞毅

摘要：在建筑结构设计中，梁端支座钢筋一般都比较大，导致梁端钢筋密集施工难度比较大;地震时，梁端震害先于柱端，结构破坏，没有先兆，人员伤害较大。为了减小施工方面的难度，和地震的伤害程度，目前技术手段可以采取人为的塑性条幅来解决，让这些破坏有先兆的到来。这些问题的解决，使结构设计更加的安全、可靠、明了。所以，本文主要是围绕建筑结构设计中梁的塑性条幅来进行讨论。

关键词：塑性条幅; 刚度; 次梁; 框架梁; 塑性内力重分布;

钢筋混凝土框架结构中，梁配置的钢筋受力超出弹性极限状态的时候，混凝土结构面就会出现塑性铰，轻微的塑性铰外观不会明显。但是随着塑性铰不断发展，裂缝不断开裂。最终塑性铰发生为混凝土压碎，犬牙交错在一起。塑性铰不同于理想铰，塑性铰发生后对柱子任然有约束弯矩，整个框架任然处于稳定状态。塑性铰既能传递弯矩、剪力、轴力，并没有一定的转动能力，而理想铰只能传递剪力和轴力，有一定的转动能力。

1 建筑结构抗震现状分析

我国的很多现有以及在建的建筑或多或少都考虑到了抗震这一环节，但是很多时候设计方以及建筑方都未能将防震这一环节落实到位，我们通过调查发现了我国目前建筑结构存在的一些普遍问题，主要集中体现在建筑高度超标，很多开发商为了谋取更多的利益，选择了将建筑建的超过安全高度，而一旦建筑物高度超过了安全设计高度以后，其结构就会遭到破坏，稳定性自然而然也会随着下降，在遭遇地震以后就会导致建筑物更容易损坏或者倒塌;其次一个比较普遍的问题就是建筑的建筑地址选择也存在一些问题，随着城市人口越来越多，对于住宅的需求也随着增大，开发商为了取得更多的利益，尽可能的开发可利用的土地资源进行建筑的建设，但是由于为了加快开发速度，很多的建筑在选择建筑地址前没有充分的考虑到地质问题，没有对建筑地的地质结构进行严格的勘探，这对于房屋建成以后的抗震性也是很大的考验，很大程度上也影响了建筑结构的抗震性。

2弯矩条幅（向下条幅）的力学概念

在竖向荷载作用下。可考虑框架支座塑性内力重分布，对梁的支座弯矩进行塑性条幅。弯矩条幅应先对竖向荷载作用下的弯矩进行条幅，然后在与水平力作用下产生的弯矩叠加。承载力设计的时候，框架梁的跨中弯矩不小于竖向荷载作用下按照简支梁计算跨中弯矩设计值的一般即50%。

3 塑性内力重分布的过程及结论

第一阶段：首先荷载较小，跨中支座弯矩线形增加，支座弯矩大于跨中弯矩。随着荷载增大，支座达到承载能力极限，形成塑性铰。

第二阶段：此时支座弯矩不变（事实上还有小许增加），跨中弯矩继续增加，最后跨中也出现塑性铰，结构成为机构体系，结构破坏。在工程设计中，每次按两阶段来设计不仅繁琐，而且增加难度;因此引入了弯矩调幅这个方法，弯矩调幅，通过调低支座弯矩，来实现内力重分布的目的，但是调幅的目的不是简单的调低弯矩，而是调整跨中和支座的负弯矩！因此可以不变支座配筋通过增加跨中配筋来提高构件的极限承载力，也可以通过减少支座配筋（同时可能要增加跨中配筋）来保持按弹性计算所需的力。

结论：混凝土连续梁和连续单向板，可采用塑性内里重分布方法进行分析。重力荷载作用下的框架、框架-剪力墙结构中的现浇梁以及双向板等，经弹性分析求得后的内力后，可对支座或节点进行适度条幅，并确定跨中弯矩。按塑性内力重分布分析方法设计的结构和构件，应该满足正常使用极限状态要求且采取有效的措施。对于直接承受动力荷载的构件，以及不要求出现裂缝或处于三a、三b类环境下的结构，不应采用塑性内力重分布的方法。

4 塑性条幅分析（框架梁、次梁、板的向上条幅）

4.1 框架梁的向上条幅

我们都知道框架梁是可以塑性条幅的，一般塑性条幅都是向下条幅，其实也不然。适当向上条幅也是可以的，可以通过配筋反算支座弯矩，然后和跨中弯矩叠加，满足结构力学两端简支跨中弯矩的ql2*1/8。曾经算过一个实例，跨中配筋小于实际配筋50%，然后全部条幅到支座，经过时间的考证，也并没有出过问题。从生活中的例子来看也是可以的。教材里面规定的向下条幅为的是减小梁的支座配筋和塑性铰的发生，从多次的地震灾害来看目前软件支座都是多配钢筋的，地震来的时候都是柱子先于梁发生破壞的，梁的塑性铰后于柱子的发生，造成很多人员的伤害。虽说向上条幅不一定好，但是在梁底部钢筋不够的情况下（复核梁配筋），向上条幅不失为一个比较好的办法，虽然有违背现有的结构概念设计。

框架梁，可以将弯矩向上条幅，形成类似两个悬挑梁的形式。然后在跨中配置构造钢筋，由于跨中本身就是少配的，因此跨中会开裂，造成塑性内力重分布，最终形成塑性铰。只要整个结构是稳定的，就不会造成安全性问题。

例如，在加固设计中，当功能性的房间对梁下净高有特殊要求的时候，梁下加固没有条件，通常通过在支座黏贴碳纤维（对支座的刚度改变非常小，一般可以认为不改变）来实现向上条幅，这样既能满足结构安全性，也能满足对功能性房间的要求。

4.2 次梁的向上条幅及对板的论述

从混凝土规范对次梁支座的配筋不小于跨中配筋的1/4，我们就可以知道结构力学里面两端完全固定和完全铰接的构件是不存在的，是理想化的构件，也是两种特殊情况。所以当构件介于两端固定，两端铰接的情况下，跨中弯矩取决于构件的两端嵌固条件，故跨中弯矩是介于ql2*1/8和ql2*1/24。所以次梁在一定条件下也是可以条幅的，只不过这个条幅条件需要看边梁的宽度和边梁的刚度（连续次梁不存在这个问题）。就像楼板的支座条件是看相对刚度的，虽然软件默认连续板是固定，边跨板是简支。板在一定的条件下也是可以实现向上和向下条幅的，条幅的原理类似于梁的原理。一般在结构力学中，连续板中间支座条件默认为刚接，考虑板的开裂和塑性内力重分布，塑性条幅设计反而更加的经济，经统计一般板的塑性设计可以节约钢筋达到20%～30%。楼梯板，支座嵌固条件比较难确定，在设计上一般假定支座两端铰接，这种设计方法是偏于安全的，然后在支座在配置一定量的钢筋，这是相当大的条幅。梁柱刚接，相对刚度需要达到三倍以上才可以，实际在计算的模型里面也有好多是没有达到固接的条件的。剪力墙结构里面只有当梁墙相对刚度达到3倍以上，才能发挥框架作用。现在也有好多设计院把板的边跨按照固端去配置钢筋，相对刚度也没有达到的，模型里面边跨点为固接，也没有出现过什么问题。这些都是活生生的例子。

4.3 次梁的条幅论证

次梁为什么梁端不能采用固接呢，把次梁做的足够宽，刚度足够大，这时候次梁的弯矩是向上移动的。次梁的不抗震，也是理论上的不抗震，次梁主要承担竖向荷载，就像水平力一般是先传递到板，在传递到次梁，再传递到框架梁，然后传递到框架柱，最后传递到基础。故次梁是可以传递一部分地震力的。那么不条幅是不是也是理论上的不条幅呢？之前也看过现场跨中弯矩配筋不够，全部条幅到支座上去的。半框架梁的构造是采用框架梁的，一端采用次梁的。那么条幅和抗震是不是也是各自采用各自的呢？两端与剪力墙面外搭接的，既可以编为次梁，也可以编为框架梁，这个其实也取决于梁端的锚固方式。

5 结束语

综上所述，框架梁、次梁以及连续板均是可以塑性条幅的，不仅可以向下条幅也可以向上条幅，只不过这个向上条幅取决于梁端的嵌固方式和锚固方式。

参考文献

[1]中国建筑科学研究院.混凝土结构设计规范（2015年版）[S].

[2]中国建筑科学研究院.建筑混凝土结构设计规程[S].

[3]郁彦.建筑结构概念设计[M].北京：中国铁道出版社，1999.

[4]单建.结构力学[M].南京：东南大学出版社，2011.