宽扁梁在高层框剪结构中的设计应用

张真铭（中航长沙设计研究院有限公司，湖南长沙400100）

宽扁梁在高层框剪结构中的设计应用

张真铭（中航长沙设计研究院有限公司，湖南长沙400100）

在高层建筑建设过程中，由于功能性与经济性限制，通常需要尽可能的减小结构构件尺寸，以实现建筑空间的最大化利用。框剪结构的剪力墙刚度较大，承载力也相对较强，并且还具备框架结构空间大、布置灵活特征，而宽扁梁具有良好的抗震性能，能够有效提升室内净高，经济性好。此背景下，本文首先分析了宽扁梁的概念与受力特点，其次对宽扁梁与一般梁框架布局的差异进行了一定的阐述，最后探讨了宽扁梁在高层框剪结构中的设计应用，以供参考。

宽扁梁；高层；框剪结构；设计

1引言

近年来，随着建筑工程行业的高速发展，框剪结构已成为高层建筑设计中常采用的结构形式，但在框剪结构设计过程中，由于建筑空间的限制，柱网的尺寸往往较大，对建筑净空也存在一定的要求，这就需要设计人员对结构梁的高度进行合理的控制，宽扁梁不仅能够满足抗震与承载力需求，还能够确保建筑净空，并且还具备一定经济性，应大力推广与应用。

2宽扁梁的概念与受力特点

一般情况下，普通矩形截面梁的高度与宽度比例为2.0～3.5，当梁宽超过梁高时，梁即为宽扁梁。如果梁宽超过柱宽的扁梁，楼板应现浇，梁中线宜与柱中线重合，扁梁应双向布置，此时不应用于一级框架结构。节点区的所有力的平衡具有关键作用，如果梁宽的部分钢筋在柱外侧通过，在斜压杆的上下端就不具备能够发挥平衡作用的竖向压力，在柱外的梁可能会被剪坏。

针对上述问题，可采取以下措施解决：①将梁的上部钢筋全部配置在柱宽范围内。②配置竖向筋，以承担压杆推力产生的竖向分力。第一种方式仅仅适用于梁比柱稍宽一点的情况，不然柱内钢筋较密，无法正常施工，如果以切断梁的有效高度设置多排筋，无法满足项目要求，此时还需确保有70%左右的钢筋通过柱子。此外，在静载与低周反复荷载作用下，宽扁梁破坏区域基本处于节点核心区。在外核心区域，通过箍筋的设置，能够对内核进行有效的保护，并且还能发挥转移塑性铰的作用，如果有必要，还应当设置穿过柱内的垂直钢筋，以增强外核心区的强度。由此可知，在节点设计过程中，节点外核心区抗扭是宽扁梁设计的关键内容。

3宽扁梁与一般梁框架布局的差异

3.1基底剪力

当达到相同侧移时，宽扁梁框架布局所需要的水平荷载明显小于一般梁的布局，宽扁梁框架布局模型的基底剪力峰值也与一般梁的框架布局要小，由此可知，宽扁梁框架布局刚度要小于一般梁布局刚度，即为宽扁梁布局柔于一般梁布局。

3.2梁柱钢筋应力

相比于一般梁布局，宽扁梁布局更能够实现强柱弱梁的破坏形式，所以，在遵循强柱弱梁原则优化结构布置时，如果一般梁框架布置满足该原则，相同配筋与线刚度下的宽扁梁布局也能够满足此原则，即为一般梁布局的优化方式适用于宽扁梁布局。

3.3裂缝

一般情况下，在建筑结构设计过程中，其首层结构的混凝土受拉裂缝宽度比顶层大，通过底部剪力法的运用，可推算出建筑基底剪力是其上部各楼层剪力的综合，所以，底层部位出现的剪切破坏是最大的，而顶层的损害最小。对于建筑物的梁，其负弯矩端的裂通常发生在其上方与楼板的连接部位，与梁相连接的楼板部位也有可能会出现开裂现象，正弯矩端的裂缝通常发生在梁截面的下方。

同时，对于侧向力作用下的框架梁的正弯矩端，其一般由竖向荷载导致的负弯矩抵消一部分，在框架梁正弯矩端下方往往会出现裂缝。弯矩端与竖向荷载形成的负弯矩相叠加，使得该节点部位的框架梁负弯矩端开裂，然后引发楼板开裂现象。此外，楼板的受拉损害与框架梁相连接，由此可知，在框架梁的负弯矩端，不仅会在架梁矩形截面内部的钢筋处出现负弯矩，在翼缘宽度范围内，以其相连接的楼板板筋处也会出现板端负弯矩，越靠近框架梁，弯矩越大。

3.4适用性

在某些特定的建筑中，宽扁梁结构具有良好的适用性，主要原因在于宽扁梁的受力特性在大多时候类似于框架梁，即为在实际应用过程中，宽扁梁的布置规则与普通框架梁基本相同，但在具体工程建设过程中，宽扁梁受力特点与普通框架梁之间存在较大的差异，所以，在进行建筑结构设计时，需要高度重视宽扁梁设计，主要的差异在于宽扁梁的钢筋配置与一般梁体系中的梁板的差别。总而言之，宽扁梁结构能够承受更多的外力，目前在需要承担更大的柱网尺寸，但是层高无法增加的高层建筑中获得了较为广泛的应用。

4宽扁梁在高层框剪结构中的设计应用

4.1高层建筑的结构梁设计

结构梁高度在很大程度上影响着标准层的净高，在正常情况下，办公楼的标准层的荷载设计通常为200kg/m2，较高档的办公楼标准层荷载设计为300～350kg/m2，少数具有特殊需求的办公楼一般会将特定区域的荷载上限设置为750kg/m2。由于荷载的取值存在较大的差别，标准层结构梁截面的尺寸也存在较大的差别，其中，梁截面的竖向高度直接影响着标准层的高度。此情况下，为了降低结构梁的高度，通常将梁设置为宽扁梁，梁极限为高度与跨度的比值1：16～1：22。一般情况下，在采用此种作业方式时，外边梁的高度会比较高，从而维持梁的刚度，但此部分梁不会对净高产生较大的影响，对外立面不造成影响时可以不用考虑。对于次梁的设计，要尽量避免十字梁，可以使次梁与主梁相平行。此外，根据风管的走位，还可将结构梁设计为梯形或台阶形，并且还要在走位处设梁上凹入区域。

4.2宽扁梁的抗震特性

由于受到建筑物使用功能空间的影响，在进行框架剪力墙结构中楼盖梁的设计时，通常采用大跨度宽扁梁结构。宽扁梁节点受力特性有利于抗震，在截面受弯屈服后，由于宽扁梁具有良好的抗剪承载力，使得梁端塑性铰能够消耗更多的地震能量，在大震下依旧能够承受楼面竖向荷载，从而更好地体现“强剪弱弯”的抗震设计理念。由此可知，宽扁梁可以更好的满足结构抗震延性要求。

4.3工程实例

某大厦建筑总面积为70182m2，地上25层，地下4层，宽度、长度、高度分别为63m、73m、100m，结构主要采用框架核心筒结构体系。该工程-1层地下室西南面露出地面，其它三面埋于地下。该工程该造型及使用功能较为复杂，沿高度方向台阶式收进。其中，-4～-1层为地下车库；1～3层为商业用房，层高6m；4～25层为高档写字楼，层高3.7m。该楼平面布置为中间9m×27m核心筒，四周9m×9m轴网的框架外围。由于建筑功能需求，写字楼净高需要控制在2.8m，去除设备预留的风管高度350mm，剩下结构梁的最大高度只有550mm。在该建筑结构设计过程中，为了满足建筑功能要求，只能够按照宽扁梁进行设计，具体尺寸为800mm×550mm，宽扁梁的高度与跨度比值为1/16。

在采用宽扁梁进行该高层框剪结构设计时，需要处理好以下问题：①次梁的高度问题，柱网为9m×9m，由于宽扁梁的高度已经确定，次梁的高度受限制，而且次梁的挠度很难满足要求，为此，本工程取消了次梁，采用了大板设计，板厚取值250mm，不仅能够满足结构设计要求，还可提高建筑的使用空间高度。②宽扁梁与核心筒处的剪力墙锚固要求，为满足梁的锚固要求，外围剪力墙设计厚度应处于500～550mm范围内，要求梁钢筋深入剪力墙边弯锚15d，同时尽可能将宽扁梁处的剪力墙设置为丁字墙，使得一部分梁钢筋可以直锚入剪力墙内，以保证宽扁梁锚固的要求。③当整体采用宽扁梁计算，结构刚度明显不足，结构的位移比离规范要求差距很大。在设计中，外围一圈框架梁，采用正常尺寸500×800，同时在X方向5～25层外围，每层均对称设置斜撑，提高结构的整体刚度，以确保结构的整体位移满足规范要求。

5结语

综上所述，相比于普通梁，虽然宽扁梁对结构整体刚度的作用不大，对于相同竖向荷载下的经济性较差，但是其能够较好的满足建筑层高、净空的要求，将其应用于高层框架剪力墙结构设计，不仅能够为建筑节省空间，还可有效提高结构的抗震能力，具有良好的综合经济效益。

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［2］程晓杰，王文勇.宽扁梁在高位转换结构中的应用与分析［J］.安徽建筑大学学报：自然科学版，2014（05）：7～12.

［3］李建国，闻 兵，苑宗双，等.框剪结构高层建筑新型悬挑提升架设计与应用技术［J］.中国高新技术企业，2012（04）：63～65.

TU973.2

A

2095-2066（2016）20-0171-02

2016-6-30

张真铭（1978-），男，工程师，本科，主要从事结构设计工作。