四个建筑结构常见问题的探讨

杨 亮

（亚瑞建筑设计有限公司湖南设计院，湖南 长沙 410000）

1 主次悬臂梁的设计

朱炳寅谈到主次悬臂梁的设计，当不考虑结构的空间作用时，主悬臂梁内力偏小，设计应留有余地[1]。此条是手算时代的产物，目前，常规计算程序都可以考虑空间作用。张元坤、李盛勇亦建议框架悬臂梁应加强配筋[2]。

朱著中又提到“当考虑结构的空间作用时，次悬臂梁内力偏小，设计应留有余地。”从悬挑部分全受力过程的角度，此项建议似可探讨。

悬挑部分在一跨内的总静力弯矩：

其中：w—均布静力荷载；Lx—悬挑长度；LY—纵向跨度。

当封口梁和悬挑部分板强度足够传力时，无论采用何种计算方法，主次悬臂梁的总静力弯矩相同，即M主+M次=M0，悬挑部分总极限承载力相同，如能保证正常使用状态下裂缝和挠度满足要求，可允许内力进行重分布，只是受力状态与弹性状态不同。

第一阶段，考虑结构的空间作用时，弹性状态下因次悬挑梁的支座主梁的挠曲变形，就有M主1+M次1=M0，主、次梁间隔布置时，有M主1＞M次1，主、次挑梁承载力按此内力配置。

第二阶段，假定主、次悬挑梁自身长期刚度一致，因为主悬挑梁配筋率大于次悬挑梁，设计中主次挑梁截面一样，主挑梁的长期刚度略大于次挑梁，此时次挑梁的支座梁长期刚度下降，挠曲变形加大，荷载从次挑梁传递至主挑梁，此时有M主2+M次2=M0，M主2＞M主1主挑梁钢筋进入屈服阶段，M次1＞M次2次挑梁处于弹性状态。这是第一次内力重分布。

第三阶段，悬挑部分荷载继续增加，主挑梁已屈服，先达至极限状态，而次挑梁配筋足够，主挑梁的下挠变形大于次挑梁下挠变形+支座梁下挠变形，增量荷载更多传递至次挑梁，次挑梁也达至极限状态，这是第二次内力重分布。

第四阶段，当悬挑结构从第二阶段进入中大震时，次悬挑梁的支座梁进入屈服状态，静力荷载传递取决于主挑梁的下挠变形与次挑梁下挠变形+支座梁进入塑性状态的下挠变形，当支座梁塑性变形较大时，主挑梁有可能超载破坏，虽未直接承担水平地震力，但有可能因水平地震力塌了。

从这个全阶段受力过程分析中，可以发现主挑梁的承载力相对于次挑梁来说总是不够的。因此，建议对于悬挑这种静定结构，次挑梁留有余地，主挑梁留有更大的余地，封口梁及悬挑板要考虑内力重分布的传力进行适当放大。主挑梁的相对受压区高度按混凝土规范5.4.3条要求不超过0.35，令As=ρ×b×h0，x×b×fc=As×fy，x≤0.35，根据常规设计C30混凝土等级，HRB400钢筋，化简得配筋率ρ≥1.4%时，主悬挑梁须考虑受压钢筋。

2 钢筋混凝土梁端铰接时的配筋构造

当梁端按简支计算但实际受到部分约束时配筋要求[3]，此条说明根据工程经验，避免负弯矩裂缝而配置纵向钢筋的构造规定。

根据此要求给出图3.2.3（砌体墙或砖柱上梁的受力钢筋的锚固）和图3.2.4（梁与梁的受力钢筋锚固）[4]。对于砌体墙或砖柱上梁支座负筋按此构造没有疑义；但整体现浇的梁梁节点，如按弹性计算次梁支座负弯矩值较大时，按此构造则带来如下两个问题。

虽然延伸长度未达到支座负筋的常规1/3 L0长度要求，但此支座负筋亦能承担相应的支座弯矩，因次梁简支，主梁无法考虑此项扭矩，主梁设计偏不安全。同时设计实务中，常未注明此处设计按铰接，施工时延伸长度按常规做法；单跨简支次梁跨中下部纵筋一般会做放大处理，而支座负筋根据放大后的跨中纵筋确定；此两项实务处理恶化此问题。

梁支撑于砌体墙时，支座弯矩无法进行简单计算得出，但梁梁节点处次梁支座负弯矩可根据相对刚度用常规软件计算得出，亦可根据此弯矩计算裂缝宽度，无须再根据工程经验进行配筋设置。有些设计师根据此条要求进行推论，当次梁支座未按简支计算，得出的计算配筋值小于跨中下部纵筋的1/4，亦根据此1/4的跨中纵筋值放大支座负弯矩筋，此做法更不推荐。

建议对常规情况，次梁两端按弹性计算；对于某些受荷较小的短跨小次梁，可按简支计算。设计实务中常出现一种情况，次梁跨度较大时，传递给主梁的扭矩过大，主梁扭剪截面验算通不过，加大主梁截面时，因同时抗扭刚度加大，导致次梁传递的扭矩同时加大，某些情况下会造成情况恶化，主梁扭剪验算无法通过。此时解决办法常使次梁两端简支，计算通过。但次梁支座负筋如何配置，如按跨中纵筋的1/4，既满足混规9.2.6条的规定，计算书亦无超筋项，送审得以通过。但此举无异掩耳盗铃，主梁扭剪问题仍未解决，而且边柱绕主梁轴向的弯矩被人为减小，边柱设计偏不安全。混规5.4.4条建议协调扭转时，支撑梁的扭矩考虑内力重分布的影响，有两种思路考虑：整体结构按弹性计算，主梁扭剪截面验算无法通过时，反算能承担的次梁支座弯矩，根据此弯矩进行次梁支座负筋配置，同时将与弹性计算时负弯矩差值增至跨中弯矩，最后用弹性支座负弯矩和实配支座钢筋进行裂缝计算；第二种直接进行次梁支座弯矩的调幅，调幅系数0.75～0.85。

3 恒活分项系数的提高对结构抗震的影响

白绍良教授[5]提到在“R-u基本准则”的问题上，我国建筑抗震设计规范与美国、新西兰及欧盟规范存在原则差异，即当各设防烈度区的设计用地震力降低系数R取值相同时，延性需求u也应当大致相同，但我国规范保证延性的抗震措施却按抗震等级逐次递减，导致按规范设计的结构低烈度区相比高烈度区大震下抗震能力变弱。

2008年汶川地震后，相关的规范进行重编。陆新征教授在2009～2011年做了一系列相关研究，证明现行规范并未解决白教授指出的这个问题。

近来，新发布的《建筑结构可靠性设计统一标准》中恒活分项系数皆有提高，陆新征课题组早在2017年就做了相关研究，文章中提到大部分增加的钢筋位于水平构件内，竖向构件增加有限，因大部分柱配筋由构造控制，结论中提到初始倒塌始于底层的倒塌模式，调整措施能明显提高框架结构的抗倒塌能力；随着设防烈度的提高，调整措施对框架结构的抗倒塌能力提高程度略有降低。但如果框架结构上部楼层存在明显薄弱层，结构初始倒塌始于上部楼层，调整措施反而可能会使结构的抗倒塌能力降低。此结论有一定的探讨空间，从实际设计经验上，如果轴压比能通过提高一级混凝土等级解决，是不会增加柱截面的，因此柱的实际抗弯能力不会有太大变化，而梁、板的抗弯能力是随分项系数提高同比例提高，同时，常规梁-板体系设计中，板按弹性算法、板配筋由构造控制、梁实际是双筋截面却按单筋验算等进一步加大楼盖的抗弯能力，除非柱设计弯矩是按梁实配钢筋反算，通常情况下，会形成“强梁弱柱”效应，再加之抗震措施却按抗震等级逐次递减的先天缺陷，越是低烈度区，越会形成柱铰机制。这也是陆文中结构初始倒塌始于上部楼层，其抗倒塌能力降低的原因，柱截面未增大，抗弯能力未随梁抗弯能力相应提高；其他底层抗倒塌能力提高，依赖于控制轴压比而加大的柱截面。

从提高结构安全度、提高耐久性、与国际先进国家接轨的角度出发，提高荷载分项系数是大势所趋，但由于抗震问题的复杂性，特别是现有规范抗震延性要求按抗震等级逐次递减的缺陷，单方面变化可能会导致问题恶化，希望《可靠性标准》的修订是后续一系列规范修订的先行者。

4 扭矩折减系数

主梁协调扭转时，可考虑梁开裂刚度退化后内力重分布，对次梁负弯矩进行调幅，同时，对主梁扭矩进行同等折减。但设计时已根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第5.2.4条进行扭矩折减，常规设计取折减系数0.4，协调扭转时对主梁扭矩的折减能否与之同时考虑，值得进一步讨论。

高规5.2.4条条文说明主梁扭矩折减系考虑楼板（有时还有次梁）的约束作用，可对梁的计算扭矩予以适当折减。但因扭矩折减系数的变化幅度较大，未对折减系数作明确要求。张艳茹，李云贵论文《梁扭矩折减系数的取值研究》中对弹性状态下梁-板结构采用有限元进行分析，其结论是边梁扭矩折减系数取值在0.4左右，差异不大，此说与高规条文说明中扭矩折减系数的变化幅度较大不符，似有进一步讨论的空间。从其结论看一般工程取值在0.4时，可以在此基础上考虑协调扭转的进一步折减。

协调扭转的折减不建议体现在程序开关扭矩折减系数中，虽然程序按此系数折减梁的扭矩，但此扭矩传递至柱上的弯矩在程序中并未折减，理论上也不能折减；而协调扭转折减部分是彻底在结构中消失了，不传递至柱上。当梁平衡扭转时，没有内力重分布，如果统一考虑协调扭转的折减，则会减少梁实际承担的扭矩，降低梁的安全度。

PKPM程序缺省对弧梁不进行扭矩折减，因弧梁亦与楼板相连，亦可考虑楼板对其抗扭的贡献，此项缺省偏保守，可能因弧梁扭转为平衡扭转，但转换梁上墙柱偏心产生的扭转及在程序中手动输入的扭矩皆为平衡扭转，亦进行扭矩折减。

楼盖梁-板体系整体受力，但分开计算、设计。扭矩折减系数同梁刚度放大系数一样，同为此状况下不得已的工程近似。