混凝土框架梁超筋问题相关分析.pdf

2 4 低温建筑技术 2 0 1 2 年第 1 期( 总第 1 6 3 期) 混凝土框架梁超筋问题相关分析 任海波’ ， 张全辉 ， 冯哲 ( 1 ．中广 电广播 电影 电视设计研究院。 北京1 0 0 0 4 5； 2 ．中旭建筑设计有限责任公司 。 北 京1 0 0 0 3 7) 【 摘要】 钢筋混凝土超筋梁一直被各类混凝土结构设计规范限制采用 ， 结构设计应避免框架梁出现超筋 现象。文中总结了现行主要设计规范对于梁超筋的限制， 给出了结构设计软件对于混凝土框架梁超筋的判断， 并 探讨了影响结构软件梁配筋计算结果的主要因素。 【 关键词】 框架梁； 超筋 ； 脆性破坏； 配筋率； S A T WE ； 参数 【 中图分类号】 T U 3 7 5 ． 4 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 1 — 0 0 2 4 — 0 3 钢筋混凝土超筋梁主要的问题有： ①在受压区边缘纤 维应变到达混凝土极限压应变值时， 混凝土受压区先压碎， 但钢筋应力尚小于屈服强度， 纵向受拉钢筋不屈服， 此时梁 已告破坏。试验表明， 钢筋在梁破坏前仍处于弹性工作阶 段， 裂缝开展不宽， 延伸不高， 梁的挠度亦不大， 在没有明显 预兆的情况下由于受压区混凝土被压碎而突然破坏， 属于 脆性破坏类型。如图 1 、 图2 所示。②超筋梁虽然配置过多 的受拉钢筋， 但钢筋的应力未达到强度设计值 ， 故没有充分 利用钢筋的强度， 造成钢材浪费。所以超筋梁一直被各类混 凝土结构规范限制采用， 在结构设计中不允许采用超筋梁。 士由泣刁 ( a ) 适筋破坏 F 亡 超筋破坏 F ．亡 工 二 f c 1 少筋破坏 图1 粱的三种破坏形态 1 设计规范对于梁超筋的相关规定 G B 5 0 0 1 0—2 0 1 0 { 混凝土结构设计规范》 ( 以下简称《 混 规》 ) 、 G B 5 0 0 1 1 —2 O L O ~ 建筑抗震设计规范》 ( 以下简称《 抗 规》 ) 规定： 梁端纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于2 ． 5 ％； 且 梁正截面受弯承载力计算中， 计人纵向受压钢筋的梁端混 凝土受压区高度与截面有效高度之比， 一级不应大于0 ． 2 5， 二、 三级不应大于0 ． 3 5 。 第2 层混凝土构件配筋及钢构件 应力比简图( c m x c m) 图3 框架梁配筋超筋示意图 圈2 梁跨中截面的 弯矩实验值) 一 曲率实验值) 示意图 J G J 3—2 0 1 0 { 高层建筑混凝土结构技术规程》( 以下简 称《 高规》 ) 规定： 抗震设计时， 梁端纵向受拉钢筋的配筋率 不宜大于 2 ． 5 ％ ， 不应大于 2 ． 7 5 ％； 当两端受拉钢筋的配筋 率大于 2 ． 5 ％时， 受压钢筋的配筋率不应小于受拉钢筋的一 半； 抗震设计时， 计入纵向受压钢筋作用的梁端混凝土受压 区高度与截面有效高度之比， 一级不应大于0 ． 2 5 ， 二 、 三级 不应大于 0 ． 3 5 。 框架结构中， 框架梁是结构的耗能构件， 框架结构的延性 主要通过控制框架梁的延性和变形能力来实现。梁的变形能 力主要取决于梁端的塑性转动量， 而梁的塑性转动量与截面 混凝土相对受压区高度有关。当相对受压区高度为 0 ． 2 5至 0 ． 3 5范围时， 梁的位移延性系数为 3- 4 。计算梁端受压区高 度时宜按梁端截面实际受拉和受压钢筋面积进行计算。控制 混凝土受压区高度的目的就是控制梁端塑性铰区有较大的塑 性转动能力， 以保证框架梁有足够的曲率延性。 2 结构软件对框架梁超筋判断 第2 层梁各截面主墙 包络m( e m X 12 m) 图4 框架梁设i 1 ’ 配筋包络图 图5 梁平法施工图示 意 任海波等 ： 混凝土框架粱超筋问题 相关分 析 S A T WE软件对于框架梁超筋现象， 有图形文件和文本 文件两种输出方式。图形文件输出有三处： ①“ 分析结果图 形和文本显示” 下“ 混凝土构件配筋及钢构件验算简图” 文 件内， 梁超筋部位显红， 并显示“ 1 0 0 0 ” 字样( 图 3 ) ； ②“ 分析 结果图形和文本显示” 下“ 梁设计配筋包络图” 文件内， 超筋 部位显示“ 9 9 9 9 9 ” 或“一 9 9 9 9 9 ” 字样( 图 4 ) ； ③“ 墙梁柱施工 图” 下“ 梁平法施工图” 文件内， 超筋部位显示红色“ {” ( 图 5 ) 。 S A T W E超筋文本输出在“ 超配筋信息 WG C P J ． O U T ” 文 件内， 对于混凝土、 型钢混凝土梁有以下六种超限提示： ① 混凝土梁端受压区高度超限： “ ( Ⅳ _ ) X> 0 ． 2 5 H o ” 、 “} ( Ⅳ 1 ) X> 0 ． 3 5 ” ； ②梁单边配筋率超 限： “ ( Ⅳ | ) R >R ⋯ ” ； ③梁抗剪截面超限： “} ( ) 、 V> = A B ” ； ④梁剪扭截面超限： “$ ( 一 ) 、 、 ( B H o ) + > A ” ； ⑤型钢与混凝土抗剪承载力 比 值超限： “ { 型钢与混凝土抗剪承载力 比值超限 S ／ C ” ； ⑥ 人防梁延性比超限： “ }( 一 ) H o >Ma x _ X ／ H o ” 。 3 影响结构软件框架梁配筋计算结果的主要因素 在整体结构方案确定合理后 ， 经软件计算框架梁出现 了超筋现象， 可 以从 以下方面进行调整 ： ①调整梁截面尺 寸； ②调整材料强度； ③调整梁布置方向和梁输入方式， 如 在次梁两端设置铰接， 以释放部分负弯矩， 解决梁剪扭截面 超限； ④调整结构荷载， 如改用 自重较轻的填充墙和隔墙 ； ⑤调整 S A T W E软件与框架梁计算相关参数； ⑥如果超筋很 多且梁跨度很大时， 可以在不影响各专业的情况下， 在梁中 加一根柱子， 减小梁跨度， 或将混凝土梁改为预应力梁或者 型钢混凝土梁； ⑦采用双筋梁等。根据结构的具体情况 ， 通 过合理修正上述因素， 再次进行分析和试算， 直到不出现超 筋现象为止。现将一些主要参数的选择列举如下： ( 1 ) 钢筋强度等级选用。《 混规》 建议： 框架梁纵向受 力普通钢筋应选用 H R B 4 0 0 、 H R B 5 0 0 、 H R B F 4 0 0 、 H R B F 5 0 0 钢筋， 箍筋 宜选用 H R B 4 0 0 、 H R B F 4 0 0 、 H P B 3 0 0 、 HR B S 0 0 、 H R B F 5 0 0钢筋 ， 也可采 H R B 3 3 5 、 H R B F 3 3 5钢筋。规范的原 则是提倡采用高强 、 高性能钢筋， 推广 4 O O 、 5 0 0 M P a 级高强 热轧带肋钢筋作为纵向受力的主导钢筋， 推广具有较好的 延性、 可焊性 、 机械连接性能及施工适应性的 H R B系列普通 热轧带肋钢筋。 ( 2 ) 梁端负弯矩调幅系数 。负弯矩调幅后 ， 梁端负 弯矩相应减少， 程序按平衡条件将梁跨中弯矩相应增大， 可 使框架梁上下的配筋较为均匀， 改善混凝土的施工质量。 梁端弯矩调幅系数 的取值范围可为 B =0 ． 8— 0 ． 9 ， 一 般工程通常取 0 ． 8 5 。如要对钢梁进行调幅， 需要设计人 员手动修改。《 混规》 规定 ： 钢筋混凝土梁支座或节点边缘 截面的负弯矩调幅幅度不宜大于 2 5 ％， 以保证构件出现塑 性铰的位置有足够的转动能力并限制裂缝宽度。当梁端负 弯矩调幅系数控制在 0 ． 8—0 ． 9之间时， 梁端截面的裂缝开 展宽度通常可保持在《 混规》 的最大裂缝宽度限值范围内。 ( 3 ) 梁活荷载内力增大系数 日 。该系数对梁在满布 活荷载下的内力( 包括弯矩、 剪力、 轴力) 进行放大， 然后再 与其他荷载效应进行组合。一般工程建议取内力增大系数 为 B =1 ． 1～1 ． 2 。如果已考虑活荷载不利布置 ， 则梁活荷 载内力放大系数应取 1 ． 0 。 ( 4 ) 中梁刚度放大系数 。对现浇楼盖和装配整体 式楼盖， 宜考虑楼板作为翼缘对梁刚度 和承载力的影响。 楼板和梁组成 T形( 边梁为倒 L形) 截面参与梁的工作， 使 梁的刚度增大， 在水平力的作用下也使梁的内力增大。在 对结构进行内力和位移计算时， 可通过采用梁刚度增大的 方法来近似考虑楼板对结构刚度的增大作用。 S A T WE软件提供了两种考虑梁刚度增大系数的方法， ①勾选“ 梁刚度放大系数按 2 0 1 0规范取值” ， 程序会按照 《 混规》 5 ． 2 ． 4 条， 根据梁有效翼缘尺寸与梁截面尺寸的相对 比例来确定刚度增大系数 ； ②全楼统一指定中梁刚度放大 系数 ， 对于现浇楼盖和装配整体式楼盖， 可根据楼板的厚 度、 梁截面尺寸和梁间净距等的不同取 B =1 ． 3—2 ． 0 。当 框架梁截面较小而楼板相对较厚时， 可取较大值； 当框架梁 截面较大而楼板相对较薄时， 可取较小值。装配整体式楼 盖 ， 可适当取较小值， 仅一倾 0 与刚性楼板相连的中间榀框 架梁或边榀框架梁， 其刚度增大系数可取为[ I ． 0+( 一 1 ． 0 ) ／ 2 ] 。对于不与楼板相连的独立梁和仅与弹性楼板相 连的梁， 刚度增大系数应取 1 ． 0 。 《 高规》 1 1 ． 3 ． 1 指出： ( 混合结构) 在弹性阶段， 楼板对 钢梁刚度的加强作用不可忽视 ， 宜考虑钢梁与现浇混凝土 楼板的共同作用， 梁的刚度可取钢梁刚度的 I ． 5—2 ． 0倍 ， 但 应保证钢梁与楼板的可靠连接。弹塑性分析时， 可不考虑 楼板与梁的共同作用。《 高层 民用建筑钢结构技术规程》 5 ． 1 ． 3指出当进行框架弹性分析时， 压型钢板组合楼盖中梁 的惯性矩对两侧有楼板的梁宜取 1 ． 5 I b ， 对仅一侧有楼板的 梁宜取 1 ． 2 I b ， ， h 为钢梁惯性矩。 ( 5 ) 梁扭转折减系数 。对于现浇板采用刚性楼板 假定时，可以考虑楼板对梁抗扭的作用而对梁的扭矩进行 折减， 折减系数的取值范围为 ． = 0 ． 4—1 ． 0， 一般工程取 0 ． 4 。梁扭矩折减系数对不与刚性楼板相连的梁及弧形梁不 起作用。若考虑楼板的弹性变形，梁的扭矩不应折减。装 配式楼板， 梁的扭矩不应折减。 ( 6 ) 梁柱重叠部分简化为刚域。如果勾选此选项， 则 梁柱交叠部分作为刚域计算， 如果不勾选， 则梁柱交叠部分 是作为梁的一部分计算。勾选此选项后， 程序对梁的计算 处理是： ①梁上的外荷载按梁两端节点间长度计算； ②截面 设计按扣除刚域后的梁长计算， 对梁的内力及配筋计算均 产生影响。对于一般结构， 可以不用勾选此选项。笔者建 议 ， 以下两种情况勾选此选项： ①梁柱重叠部分柱截面尺寸 比梁截面尺寸相比大很多时； ②异形柱结构， 因为异形柱的 柱肢一般较长 ， 梁、 柱在节点处的重叠部分较大。 4 结语 ( 1 ) 结构设计应避免框架梁超筋现象。程序计算结 果出现超筋， 应根据工程具体情况， 从梁截面尺寸、 钢筋强 度等级、 梁布置方式 、 梁输入方式 、 S A T WE设计参数等多面综 低温建筑技术 2 0 1 2年第 1 期( 总第 1 6 3 期) 大型液化天然气 ( L N G) 储罐地震响应分析 杨建江， 林杨 ( 天津大学建筑工程学院 。 天津3 0 0 0 7 2) 【 摘要】 基于陆培炎提出的横向荷载作用下土、 桩共同作用的集中力弹簧模型， 将桩土共同作用简化为弹 簧， 考虑地震下的响应， 在弹簧的基础上增加了阻尼器以模拟土的阻尼特性。通过集中质量法模拟地震作用下液 化天然气对罐璧的动压力。利用 A N S Y S 有限元分析软件 ， 通过 A P D L 语言建立桩 一 土一 结构整体三维精细模型， 对空罐、 半罐及满罐三种工况进行了分析， 并对基础刚接、 基础隔震及考虑桩土作用及隔震垫三种情况进行了地 震响应对比。 【 关键词】 承台； 隔震垫； 地震响应； 集中力弹簧； 集中质量法 【 中图分类号】 T U 3 1 1 ． 3 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 1 — 0 0 2 6 — 0 3 THE S EI S M I C ANAL YS I S oF HUGE LNG TANK Y A N G J i a n - j i a n g ， L I N Y a n g ( C o l l e g e o f b u i l d i n g E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： B a s e d o n c o n c e n ~ e d f o r c e s p ri n g m o d a l o f p i l e — s o i l i n t e r a c t i o n ( P S I )u n d e r h o ri z o n t a l l o a d s ，r a i s e d b y L u P e i y a n，s i mp l i f y t h e P S I a s s p ri n g w i th d a mp e r c o n s i d e r i n g s e i s mi c r e s p o n s e ．S i mu — l a t e the d y n a mi c p r e s s u r e o f b e t we e n L NG a n d i n t e r n a l t a n k s h e l l b y a d d e d ma s s me t h o d ．ANS Y S s o ft - w a r e i s u s e d t o e r e c t p i l e s - s o i l — s t r u c t u r e u n i t a r y 3 D r e f i n e d mo d a l b y AP D L l a n g u a g e ．Co n d i t i o n o f e mp t y t a n k，h a l f t a n k a n d f u l l t a n k a r e a n a l y z e d，a n d the s e i s mi c r e s p o n s e o f ri g i d b a s i s ，rub b e r i s o l a t i o n b a s i s a n d P S 1 wi t h R u b b e r i s o l a t i o n b a s i s a r e c o mp a r e d ． Ke y wo r d s ： s e i s mi c r e s p o n s e ；c o n e e n t r e d f o r c e s p r i n g；a d d e d ma s s me t h o d 文中通过 A N S Y S有限元分析软件 ， 将桩土间作用简化 为弹簧阻尼器 ， 使用 目前 比较通用的附加质量法模拟储罐 中液固耦合问题。建立了储罐整体三维模型， 对储罐的在 不同边界条件下的地震响应进行了分析。 1 方法及模型 ( 1 ) 集中力弹簧模型 。按照 Z e m o c h k i n 的集中反 力方法 ， 采用一个弹簧代替刚性连杆来模拟集中反力， 该弹 簧的刚度系数 K= P ／ △， P代表集中力， △代表位移。因此 合进行优化和调整， 直至不出现超筋现象为止。 ( 2 ) 对于常规结构， 可以直接按照 S A T WE配筋计算 结果进行梁配筋 ， 不用人为加大计算结果进行配筋。如为 了提高安全系数， 在梁跨度大时可以适当加大跨中下铁， 梁 端上铁不必加大。此外， 有的梁在软件计算结果里没有超 筋， 但是设计人员为了安全考虑， 过分加大放大系数， 造成 实际配筋超筋， 应引起注意。 ( 3 ) 有一种观点认为： 超筋破坏， 仅仅是造成受压区 混凝土被压碎 ， 而梁本身并没有因为承载力不足而断裂或 垮塌 ， 认为一般来讲不会造成大的工程事故或人员损伤 ， 因 此对于超筋问题掉以轻心。这是不允许的， 虽然梁没有断 裂或者垮塌， 但粱已经破坏。 ( 4 ) 笔者建议通过经济配筋率( 矩形梁取 1 ． 0 ％ 一 1 ． 4 ％ ， T形梁取 1 ． 1 ％ ～1 ． 6 ％) 优化梁截面， 不仅材料的性 能得到更好的发挥 ， 而且能减小结构自重。 参考文献 [ 1 ] G B 5 0 0 1 1 — 2 0 1 0 ， 建筑抗震设计规范[ S ] ． [ 2 ] G B 5 0 0 1 0 — 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范[ s ] ． [ 3 ] J G J 3 - 2 0 1 0 ， 高层建筑混凝土结构技术规程[ s ] ． [ 4 ] 中国建筑科学研究院 P K P M C A D工程部．多层及高层建筑结 构空间有限元分析与设计软件 S A T WE用户手册[ Z ] ． 2 0 1 1 ． [ 5 ] 徐湘涛， 范涛． 钢筋混凝土框架梁超筋现象解决方案[ J ] ．工 业建筑 ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 9 ) ： 7 4— 7 6 ． [ 6 ] 姜学诗．S A T WE结构整体计算时设计参数的合理选取( 十 --) [ J ] ． 建筑结构( 技术通讯) ， 2 0 1 1 ， ( 7 ) ： 1 5 一 l 6 ， [ 收稿日期] 2 0 1 1 — 1 0— 0 9 [ 作者简介] 任海波( 1 9 8 3一 ) ， 男， 安徽望江人， 硕士， 工程师 从事建筑结构设计工作。