宽扁梁与肋梁楼盖体系抗震性能与经济性比较分析

宽扁梁与肋梁楼盖体系抗震性能与经济性比较分析(2009-02-2522:41:52)转载▼标签：杂谈分类：建筑结构设计摘要：通过计算实例分别对采用宽扁梁与肋梁楼盖两种体系的结构方案分析，比较两种结构方案在抗震性能与经济性方面的特点和优缺点，并对宽扁梁设计提出具体构造要求和设计应注意的几个问题关键词：宽扁梁肋梁构造裂缝挠度1前言宽扁梁楼盖是从无梁楼盖基础上发展起来的，介于肋梁楼盖与无梁楼盖之间的一种新型楼盖体系，由于其在结构设计中较容易实现“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的抗震设计理念，而且宽扁梁只要设计、构造措施得当，能够改善框架节点的延性，增加节点区在地震作用下的变形能力。也有效避免了在施工过程中框架节点区钢筋过于密集，混凝土难以灌注、振捣的尴尬局面。所以宽扁梁楼盖体系在结构设计中近年来得到了较多的应用。随着我国高层建筑的发展，在城市建设中建筑物高度受到城市规划规定的限制的情况越来越多，也促进了宽扁梁楼盖体系的发展和应用。另一方面，宽扁梁楼盖体系与肋梁楼盖在经济方面相比也具有一定的优势。以下本文将对宽扁梁与肋梁楼盖体系在抗震性能与经济性方面作计算分析比较。2结构方案概述及计算分析结果本工程处于7度抗震设防烈度区，属三类场地，基本风压0.45kN/m2,框架抗震等级三级。X方向总长6.3x6=37.8米，Y方向总长7.2x3＝21.6米。宽扁梁楼盖体系：结构总高度为3.0米x9层＝27米，框架柱600x600，外围框架梁考虑到门窗洞口的设置以及避免形成边框架扁梁偏心的因素，采用300x600，其余内框架梁800x400，次梁400x400（见图1）；肋梁楼盖体系：结构总高度为3.3米x9层＝29.7米，框架柱600x600，框架梁300x600，次梁250x500（见图2）。为了探讨采用宽扁梁与普通肋梁楼盖两种方案的地震作用效应，现运用中国建筑科学研究院PKPM系列SATWE软件分别对其进行计算分析，结果见表1。从表中数据可以看出：在地震作用下，两种楼盖体系具有相似的地震效应，尤其是两个方向的地震平动效应。肋梁楼盖体系具有相对较高的楼层抗侧刚度，而宽扁梁楼盖体系具有相对较高的楼层抗扭刚度。这是因为在水平地震作用下，肋梁具有较高的抗弯刚度，对柱端的约束作用相对较强，抵消了层高的影响后仍然表现出更高的层间刚度；而宽扁梁在楼板平面内的约束则具有更高的刚度，在抵抗地震扭转作用时充分发挥了这些刚度的平衡作用，从而表现出更好的结构整体抗扭性能。这两方面的地震反应特性在进行结构概念设计,结构方案选择时具有一定的参考价值。3两种结构方案经济性比较从表2的数据中可以看出，采用肋梁楼盖体系比采用宽扁梁楼盖体系钢筋用量节省26％左右，混凝土用量节省8％左右，但采用宽扁梁楼盖体系则可以节省高度差范围的维护结构（框架填充墙或玻璃幕墙等）的费用。在不考虑结构总高度的情况下，采用肋梁楼盖体系具有一定的经济优势，但若在结构总高度为确定值的情况下，采用宽扁梁楼盖体系则具有可以在原有楼层基础上再增加一层的经济效应，这对在地价高昂的中心城区这种优势就更为明显。4宽扁梁设计的构造要求在结构设计过程中，宽扁梁的宽高比不宜过大，虽然能满足现行《建筑抗震设计规范》【1】第6.3.2条的规定：a)梁截面宽度≤2倍柱截面宽度;b)梁截面宽度≤柱截面宽度+梁截面高度;c)梁截面高度≥16倍柱纵筋直径的要求，但规范给出的条件，是宽扁梁设计的最低限度要求。当宽扁梁宽高比过大（接近规范要求限值）时，其传力机理更为复杂，节点外核心区抗扭问题成为核心问题。由于现有的试验数量较少，有关宽扁梁柱节点的理论还有待于进一步研究和完善，所以对结构设计者来说，采用宽高比过大的设计，在强度和裂缝控制方面需要冒一定的风险。目前对于宽扁梁的设计方法一般先按较严格的构造要求配筋，然后再根据结构分析计算结果进行复核。其构造要求【2】为：（1）框架节点核心区水平抗剪箍筋配置：宽扁梁框架节点核心区水平抗剪箍筋除在内核心区柱内按现行混凝土结构设计规范要求设置外，还应在外核心区周边设置：一级抗震等级≥φ12@100；二、三级抗震等级≥φ10@100；非抗震等级≥φ8@100；双向宽扁梁节点，可利用宽扁梁腰筋双向贯通构成。单向宽扁梁节点，可利用宽扁梁腰筋双向贯通附加另向水平拉结筋构成。（2）框架节点核心区抗扭纵筋配置：双向宽扁梁梁高相等时，宜通过计算要求增加框架梁纵向钢筋构成；双向宽扁梁梁高不等时，可在矮宽扁梁方向外核心区底部加设朝上开口箍筋构成底部抗扭纵筋；单向宽扁梁时，可通过设置节点核心区附加封闭箍筋构成。当采用附加箍筋形式时，其构造要求为：一级抗震等级≥φ12@100；二、三级抗震等级≥φ10@100；非抗震等级≥φ10@200。（3）框架节点外核心区周边抗扭封边箍筋配置：节点外核心区宽扁梁纵向钢筋与节点外核心区角部附加垂直拉筋焊接或搭接构成，附加垂直拉筋的构造要求：一级抗震等级≥φ12@100；二、三级抗震等级≥φ10@100；非抗震等级≥φ8@100。（4）框架节点外核心区垂直抗剪箍筋配置：框架节点外核心区内部还应设置垂直抗剪拉筋作抗剪箍筋，勾住进入外核心区的宽扁梁纵筋，其构造要求为：一级抗震等级≥φ12@100；二、三级抗震等级≥φ10@100；非抗震等级≥φ8@100。5采用宽扁梁楼盖体系应注意的几个问题5．1当宽扁梁一侧的受拉钢筋配筋率达到2.0%左右时，宽扁梁的设计就由强度控制就转变为由构件裂缝宽度和挠度控制，按照现行《混凝土结构设计规范》【3】中第8.1.1条规定，应按结构所处环境类别和结构类别确定相应的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值要求。所以裂缝宽度限值对于一般楼层应按0.3mm，屋顶负弯矩区应按0.2mm控制要求进行验算。由于宽扁梁对竖向荷载的抗弯刚度较弱，所以挠度验算往往会起决定性作用，特别是屋顶层永久荷载相对较大而活荷载很小，需要考虑荷载长期效应组合影响的长期刚度BL＝MsBs/[ML（θ－1）＋Ms]计算时，永久荷载所占比例越大，则BL就越小，挠度就越大。5．2在宽扁梁的设计过程中，宽扁梁的裂缝宽度及挠度的控制往往接近现行规范所规定的限值。如果在混凝土固化，养护期间因施工原因造成的微损伤在以后结构交付使用后更容易放大，将对结构的正常使用产生不利影响，严重时会影响到结构的安全，所以在施工期间应加强对宽扁梁的混凝土养护条件的监测和适当的保护。必要时，可在梁柱节点区采用在混凝土中掺入适量钢纤维的方法，用以提高宽扁梁柱节点的初裂承载力和极限承载力，改善混凝土的裂缝形态，使裂缝更细、更均匀【4】。5．3当裂缝和挠度在具体工程中成为主要矛盾时，目前国内较多的采用了后张法预应力宽扁梁的结构方案，当采用此结构方案时，因为宽扁梁的截面惯性矩相对较小，所以预应力张拉施工阶段往往是采用该方案体系受力的最不利阶段。6结论6．1宽扁梁与肋梁楼盖体系在相同的地震作用条件下具有相似的地震平动效应：肋梁楼盖体系具有相对较高的楼层抗侧刚度，宽扁梁楼盖体系具有相对较高的楼层抗扭刚度。6．2由于现阶段关于宽扁梁柱节点的理论还不完善，所以目前在采用宽扁梁楼盖体系结构设计中必须遵循较为严格的结构构造要求。6．3采用宽扁梁楼盖体系比采用肋梁楼盖体系方案能有效降低结构层高，满足结构净高要求，若不考虑结构总高度的限制影响，采用后者方案的单位工程总造价将节省5％左右。在考虑结构总高度限制影响的情况下，宽扁梁楼盖体系将具有更好的经济综合效益。由于宽扁梁楼盖体系中室内梁底和现浇板底的高差不悬殊，结构较为美观，一般情况下可节省室内吊顶的费用。6．4采用宽扁梁楼盖体系时，裂缝和挠度控制是结构设计过程的关键点，当现有条件无法满足设计普通钢筋混凝土宽扁梁楼盖体系时，可采用钢纤维混凝土、预应力钢筋混凝土方法来改善混凝土材料的本构关系、改变梁的受力特征等方法来解决。