柴迎春

(懷化市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 懷化 418000)

混凝土框架梁是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中常遇的一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其截面設(shè)計(jì)和配筋驗(yàn)算是每個(gè)結(jié)構(gòu)工程師必做的一項(xiàng)工作，然而，目前多數(shù)設(shè)計(jì)師并沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行深入研究，或者說(shuō)絕大部分設(shè)計(jì)師并不具備混凝土框架梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)能力，進(jìn)而阻礙了混凝土框架梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步發(fā)展。不可否認(rèn)，由于我國(guó)在建筑設(shè)計(jì)方面起步較晚，設(shè)計(jì)師無(wú)論是在設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，還是專業(yè)知識(shí)方面都有所欠缺，其設(shè)計(jì)成果往往達(dá)不到理想要求，并且在設(shè)計(jì)過(guò)程中還會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)諸多實(shí)際問(wèn)題。針對(duì)以上內(nèi)容，現(xiàn)將本人在圖紙審核時(shí)發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)共性問(wèn)題整理出來(lái)，提出一些看法和處理建議。

1 框架梁截面應(yīng)按鋼筋混凝土雙筋梁進(jìn)行驗(yàn)算

現(xiàn)行大部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件為了編程和出圖方便，對(duì)混凝土梁一般按照矩形單筋梁進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，其不論從計(jì)算合理性、設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性以及實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁”抗震性能要求等方面來(lái)說(shuō)都有值得商榷之處。

(1)從安全性角度分析?？蚣芰航孛鎽?yīng)按鋼筋混凝土雙筋梁進(jìn)行可靠性驗(yàn)算。由規(guī)范[1]寫(xiě)出鋼筋混凝土梁計(jì)算公式如下。

(1)

(2)

以上兩式可以同時(shí)滿足平衡條件和屈服條件，其理論依據(jù)就是塑性力學(xué)的下限定理，因?yàn)橐罁?jù)這一理論確定的截面內(nèi)力分布狀態(tài)可以滿足力學(xué)平衡條件以及強(qiáng)度屈服條件， 滿足這一條件的解非唯一，承載力大小隨受壓鋼筋和受拉鋼筋不同配置比例而變化，但都是極限理論的塑性下限解，從安全性角度來(lái)說(shuō)有保障。 因此，梁采用雙筋梁模式考慮受壓區(qū)鋼筋受力作用有理論依據(jù)，其安全性能夠得到保障，且更加合理。

(2)從經(jīng)濟(jì)性角度分析。鋼筋混凝土框架梁由于抗震設(shè)計(jì)需要，無(wú)論是梁頂面或者底面均需配置一定數(shù)量的貫通鋼筋，因此，無(wú)論是設(shè)計(jì)支座截面受拉鋼筋或者梁跨中截面受拉鋼筋，其受壓區(qū)都會(huì)存在一定數(shù)量鋼筋。由式(1)、(2)可知，由于受壓鋼筋的存在，計(jì)算結(jié)果所得受拉鋼筋會(huì)小于不考慮受壓鋼筋作用情況，因此，按雙筋梁設(shè)計(jì)，總體上配筋會(huì)小于按單筋梁設(shè)計(jì)配筋，截面設(shè)計(jì)結(jié)果更經(jīng)濟(jì)。

(3)從實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震性能方面分析。眾所周知，規(guī)范[2]為了實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁”抗震性能要求，除了一級(jí)抗震等級(jí)框架結(jié)構(gòu)采用構(gòu)件實(shí)配鋼筋進(jìn)行性能驗(yàn)算外，其它都是采用在梁端彎矩之和乘以放大系數(shù)的方式來(lái)增大梁端剪力或者增大柱子截面設(shè)計(jì)彎矩來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，梁如果采用單筋截面計(jì)算，其實(shí)配鋼筋勢(shì)必會(huì)比計(jì)算所需鋼筋增大不少，這無(wú)疑會(huì)增大梁的實(shí)際受彎承載能力，可能導(dǎo)致梁端設(shè)計(jì)受剪承載力小于按鋼筋實(shí)配計(jì)算的受剪承載力，或者柱端設(shè)計(jì)受彎承載力小于按實(shí)配鋼筋計(jì)算的受彎承載力情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁”的抗震性能目標(biāo)。因此，對(duì)于混凝土框架梁來(lái)說(shuō)，在能夠滿足正截面受彎承載力要求時(shí)，其支座截面下筋(跨中正筋)和上筋(負(fù)筋)配置越少，框架梁、柱以及梁柱節(jié)點(diǎn)的剪力設(shè)計(jì)值也會(huì)相應(yīng)越小，這對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震非常有利，其抗震設(shè)防目標(biāo)越易實(shí)現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)工程師掌握了鋼筋混凝土雙筋梁設(shè)計(jì)理論后， 就可以在實(shí)際工程設(shè)計(jì)工作中適時(shí)應(yīng)用這一理論。實(shí)際工程框架梁上部受力鋼筋和下部受力鋼筋都有部分貫通鋼筋， 在梁正截面受彎承載力設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)利用這部分貫通鋼筋，如此能夠減少框架梁上部受力鋼筋和下部受力鋼筋地使用， 這樣不但可以降低建筑結(jié)構(gòu)造價(jià)，而且可以提高框架梁、柱和節(jié)點(diǎn)的抗震性能。這種減少框架梁縱筋量的技術(shù)措施，不會(huì)以降低梁正截面受彎承載力為代價(jià)，而是充分發(fā)揮框架梁本身內(nèi)在受力潛力，因此梁的承載力仍有相當(dāng)能效保證。

2 框架梁縱向鋼筋應(yīng)滿足直段錨固長(zhǎng)度要求

部分設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)梁時(shí)，當(dāng)梁的縱向鋼筋不能采用直錨方式滿足錨固要求時(shí)，通常會(huì)采用彎錨方式來(lái)解決問(wèn)題，但其彎折前水平投影長(zhǎng)度很小，不滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)只要求總錨固長(zhǎng)度符合要求即可。這種做法并不合適。

規(guī)范[1]規(guī)定，混凝土框架梁上部縱向鋼筋及下部縱向鋼筋，當(dāng)框架柱截面尺寸不滿足鋼筋直錨長(zhǎng)度時(shí)，錨固段縱向受力鋼筋應(yīng)伸至節(jié)點(diǎn)對(duì)邊并向下或者向上彎折15倍縱筋直徑，彎折前的鋼筋直錨段長(zhǎng)度不應(yīng)小于0.4la或0.4laE。有關(guān)試驗(yàn)表明，鋼筋錨固端的錨固能力是由水平段粘結(jié)能力和彎弧與垂直段彎折錨固作用組成，且在靜力作用下，水平段粘結(jié)能力起主要作用。當(dāng)水平段投影長(zhǎng)度大于等于基本錨固長(zhǎng)度0.4倍時(shí)，垂直段長(zhǎng)度不小于15縱筋直徑時(shí)，基本能夠保證梁端的錨固，此時(shí)不必滿足總錨固長(zhǎng)度大于等于受拉鋼筋總直線錨固長(zhǎng)度要求。

3 框架梁縱向支座鋼筋可部分布置于翼緣板中

設(shè)計(jì)框架梁時(shí)，有時(shí)支座彎矩較大，梁截面較小，導(dǎo)致受力縱向鋼筋數(shù)量較多，需要布置兩排甚至三、四排才能將鋼筋布下。這種布筋方式理論上可行，但是會(huì)導(dǎo)致下面幾排鋼筋離梁中和軸很近，難以發(fā)揮承載效率，事實(shí)上并不合理。有關(guān)資料表明，可將現(xiàn)澆混凝土梁兩側(cè)樓板中一部分作為梁翼緣板(翼緣板寬度可取4～6倍板厚)，將部分縱向鋼筋布與翼緣板內(nèi)，以減少鋼筋布置排數(shù)，提高鋼筋利用率。為保證梁鋼筋在節(jié)點(diǎn)有可靠錨固，在翼緣中布筋建議不超出柱寬范圍。

4 框架梁箍筋非加密區(qū)配箍應(yīng)注意優(yōu)化

鋼筋混凝土構(gòu)件中的梁箍筋主要功能：一是承擔(dān)剪(扭)力；二是形成鋼筋骨架；三是對(duì)構(gòu)件混凝土進(jìn)行約束。工程設(shè)計(jì)人員往往特別關(guān)注加密區(qū)設(shè)計(jì)要求，比如箍筋最小直徑、梁箍筋肢距、加密區(qū)箍筋最大間距等，而忽視了箍筋非加密區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，造成了較大浪費(fèi)。

現(xiàn)舉例說(shuō)明：某框架梁，抗震等級(jí)為三級(jí)，截面為800×1 000，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，箍筋為Φ10@100/200(6)?，F(xiàn)圍繞箍筋構(gòu)造來(lái)討論。

(1)本例加密區(qū)以外的箍筋肢距為(800-50)/5=150。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)第11.3.8條，三級(jí)抗震等級(jí)梁加密區(qū)箍筋肢距不宜大于250mm和20d(箍筋直徑)的較大值，而對(duì)于梁箍筋非加密區(qū)，規(guī)范[1]對(duì)箍筋肢距并無(wú)要求，所以只要滿足三級(jí)抗震等級(jí)面積配筋率要求即可，而沿梁全長(zhǎng)箍筋面積配箍率：ρsv=0.26f1/fyv=0.148%。

如果非加密區(qū)箍筋直徑不變，由6肢改為4肢(并不會(huì)影響骨架形成)，此時(shí)ρsv=314/(800×200)=0.196%>0.148%，完全滿足規(guī)范要求，可以節(jié)省箍筋約19%。

(2)如果進(jìn)一步將非加密區(qū)箍筋改為2肢Φ8和2Φ10，仍能滿足全梁配箍率要求(ρsv=Asv/bs=258/(800×200)=0.161%>0.148%)，可以節(jié)省箍筋約23%，且對(duì)骨架支撐不會(huì)產(chǎn)生太大影響。

由以上分析可知，梁箍筋非加密區(qū)箍筋肢數(shù)及直徑都有可能與加密區(qū)不一致，不應(yīng)僅將加密區(qū)箍筋間距加大，而其它如肢數(shù)、直徑都與加密區(qū)一樣的配箍方式進(jìn)行配箍，這樣會(huì)造成極大浪費(fèi)。

5 框架梁側(cè)面腰筋不宜隨梁寬增大而無(wú)限制增大

規(guī)范[1]指出：“當(dāng)梁的腹板高度不小于450mm時(shí)，梁兩側(cè)應(yīng)沿梁高方向配置一定數(shù)量縱向構(gòu)造筋，每側(cè)縱向構(gòu)造筋截面面積不應(yīng)小于梁腹截面面積的0.1%，且其間距宜小于200mm?！?/p>

依據(jù)如上規(guī)定，梁側(cè)面構(gòu)造筋的配筋量與梁的寬度成線性關(guān)系，寬度越大配筋量就越大，這在梁寬很大時(shí)會(huì)得到很不合理的結(jié)果。文獻(xiàn)[3]研究可知：梁的側(cè)面構(gòu)造筋只對(duì)梁腹板兩側(cè)面的一個(gè)很小范混凝土窄條產(chǎn)生約束作用，而與梁腹整體寬度無(wú)直接關(guān)系，沿梁側(cè)面設(shè)置的構(gòu)造縱筋對(duì)梁另一個(gè)側(cè)面裂縫寬度沒(méi)有明顯作用。文獻(xiàn)[3]依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)果，認(rèn)為受縱向構(gòu)造筋影響的混凝土窄條寬度為從梁構(gòu)造筋中心到梁外緣寬度的2倍，且不超過(guò)混凝土梁截面寬度一半，并將梁一側(cè)的構(gòu)造縱筋截面面積與該側(cè)面混凝土窄條截面面積的比值定義為構(gòu)造筋配筋率ρsk。

(3)

式中：為構(gòu)造筋面積，2c+db為受構(gòu)造筋影響的混凝土窄條寬度，不能大于梁腹板寬度的1/2，dsk為構(gòu)造筋中對(duì)中的距離。

由上述式(3)知，以構(gòu)造筋配筋率來(lái)設(shè)置腰筋，就不會(huì)出現(xiàn)構(gòu)造筋配筋量隨梁寬增大而無(wú)限制增大的情況，則腰筋設(shè)置相對(duì)合理很多。文獻(xiàn)[3]試驗(yàn)結(jié)果還表明，在梁每一個(gè)側(cè)面靠近主筋大約5/8受拉區(qū)高度范圍內(nèi)配置4根構(gòu)造筋比較合適。

6 框架梁高跨比較小時(shí)梁寬度不必很寬；梁高跨比較大時(shí)梁寬度不應(yīng)過(guò)窄

以往規(guī)定，框架主梁截面高度為計(jì)算跨度的1/8～1/12，此規(guī)定已完全不能滿足近年來(lái)所大量興建高層建筑對(duì)于降低層高之要求，因此工程中出現(xiàn)了很多高跨比較小的框架梁，工程師擔(dān)心梁剛度不夠而加大了梁寬度，不少工程中出現(xiàn)了寬扁梁。寬扁梁的特點(diǎn)是梁寬比梁高大得多，例如截面為900mm×500mm，1 200mm×600mm等， 此種截面導(dǎo)致梁自重變大，樓板混凝土折合厚度增加，結(jié)構(gòu)自重也明顯加大，而且還會(huì)帶來(lái)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的構(gòu)造困難問(wèn)題。大多數(shù)情況下，梁的寬度不必如此之大。造成梁寬過(guò)大的主要原因是有些設(shè)計(jì)師擔(dān)心梁高減小后梁剛度會(huì)不夠，因而以加大梁寬度來(lái)彌補(bǔ)。實(shí)際上，現(xiàn)澆T形梁剛度主要依靠梁翼緣，梁腹寬度對(duì)梁剛度貢獻(xiàn)相對(duì)較小。對(duì)于一般鋼筋混凝土建筑樓蓋，非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土現(xiàn)澆T形梁高度，如取跨度的1/15～1/18，剛度一般沒(méi)有問(wèn)題。大量工程實(shí)踐證明：如果梁高取跨度的1/15左右，在荷載和跨度不太大的情況下，寬度取400mm～500mm，足夠滿足一般建筑樓蓋要求，不必人為將梁寬度過(guò)分加大，甚至加大到比柱寬還大的寬扁梁。

另一方面，由于構(gòu)造要求或其他原因，框架梁截面高度取得較大，設(shè)計(jì)師按受力計(jì)算，框架梁寬度取得很小也能滿足計(jì)算要求，因此梁寬度取得很窄(如梁寬小于200)也不合理。框架梁是框架和框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的主要耗能構(gòu)件，因此，梁的塑性鉸區(qū)應(yīng)保證有足夠延性。影響梁延性的諸多因素有梁的剪跨比、截面剪壓比、截面配筋率、壓區(qū)高度比和配筋率等。在地震作用下，梁端塑性鉸區(qū)保護(hù)層容易脫落，如梁截面寬度過(guò)小，則截面損失比例較大，狹而高的梁截面不利于節(jié)點(diǎn)混凝土約束，為了改善其性能，可適當(dāng)加寬梁截面，以降低梁截面的剪壓比，并采取有效配筋方式，如設(shè)置交叉斜筋或沿梁全長(zhǎng)加密箍筋及增設(shè)水平腰筋等。

7 結(jié) 語(yǔ)

鑒于以上幾點(diǎn)分析，筆者對(duì)框架梁設(shè)計(jì)有如下幾點(diǎn)建議。

(1)框架梁截面計(jì)算應(yīng)該按照雙筋梁計(jì)算模式進(jìn)行，這樣在保證安全的前提下，提高結(jié)構(gòu)抗震性能同時(shí)減少了鋼材用量。

(2)梁支座縱向鋼筋不宜布置過(guò)多排數(shù)，鋼筋數(shù)量較多時(shí)，可將部分鋼筋布于翼緣板中，并且注意鋼筋的錨固要求應(yīng)滿足水平段投影長(zhǎng)度不小于0.4la或0.4laE。

(3)框架梁箍筋在非加密區(qū)布置要求可以放松，其箍筋肢數(shù)和箍筋直徑可與箍筋加密區(qū)不同。

(4)梁腰筋僅對(duì)梁腹兩側(cè)面中一個(gè)混凝土窄條產(chǎn)生影響，而與梁腹寬無(wú)關(guān)。按規(guī)范公式設(shè)計(jì)梁腰筋可能得到不合理結(jié)果，而按文獻(xiàn)[3]提供的方法可解決規(guī)范公式遇到的困難，建議規(guī)范參照此要求對(duì)相關(guān)條文進(jìn)行修訂。

(5)框架梁寬度過(guò)大會(huì)增加結(jié)構(gòu)自重，當(dāng)寬度超過(guò)柱子寬度時(shí)，還會(huì)增加梁柱節(jié)點(diǎn)處理難度，不利于抗震；梁截面寬度過(guò)小，在地震作用下截面損失比例較大，狹而高的梁截面不利于節(jié)點(diǎn)混凝土的約束。