浅谈竖向加腋粱在地下室楼盖结构中的应用

【摘要】框架梁梁端竖向加腋在地下室楼盖结构中的应用越来越多，本文首先论述加腋对结构受力、变形及配筋的影响，然后对加腋的综合效益进行分析，以此为实际的结构设计工作提供参考借鉴。

【关键词】钢筋混凝土;地下室楼盖;竖向加腋粱

在工程设计中，由于埋深和功能需要，高层建筑一般均设有地下室，地下室一般柱网跨度和设计荷载较大，所占工程造价的比重较高，因此，地下室楼盖的精细化设计对安全性和经济性至关重要。为了解决梁端弯矩和剪力过大问题、减小埋深等原因，框架梁梁端竖向加腋在实际工程中的应用越来越多。然而，我国现行规范仅《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）第3.5.2条略有规定，导致实际设计中无据可依，甚至由于盲目追求经济性，出现加腋设计不合理和综合经济效益差的情况。本文将对竖向加腋粱及其在地下室楼盖中的应用进行浅析。

1、梁端竖向加腋对受力和变形的影响

加腋粱可以看做中性轴为横截面形心连线的空间曲形拱粱，随着加腋尺寸的变化，加腋粱内会产生不同程度大小的轴力，可以看作一根天生的预应力梁。此外，梁横截面上的轴应力并不是均匀分布，因此可以看作一根压弯构件。

梁端加腋会引起粱刚度变化，粱端部刚度相对跨中刚度增大，从而梁端分配的弯矩增加，相应跨中弯矩会减小。研究表明，当腋长为0.1倍粱跨度、腋高不大于0.2倍粱高时，支座弯矩增幅在5%以内;当腋长为0.15倍粱跨度、腋高在0.2～0.3倍粱高之间时，支座弯矩增幅在5%～15%之间。加腋会使粱内产生轴力，在加腋尺寸能明显形成拱效应的情况下，轴力会导致跨中弯矩和支座弯矩均减小，跨中弯矩比支座弯矩减小的幅度更大。综合考虑粱刚度和轴力的影响，根据加腋尺寸的不同，一般加腋粱的支座弯矩变化不大或者有小幅的增大，跨中弯矩会有一定程度的减小。

加腋高度不变时，加腋长度小于0.25倍粱跨时，加腋长度的变化对跨中挠度的降低影响明显;加腋长度不变时，加腋高度的变化对跨中挠度的降低影响不明显，增加腋长比增加腋高对于跨中挠度的降低更加有效。研究表明，当加腋长度等于0.25倍粱跨度时，随着加腋高度大于0.4倍粱高的程度不同，加腋粱的跨中挠度是未加腋粱的1/5-3/5，说明加腋对于变形的控制是一种有效方式[1]。

研究显示，梁端加腋可以延缓梁柱节点区域的剪切破坏速度，改善梁柱节点的抗震性能，有利于实现强节点的抗震概念设计。另一方面，梁端加腋对形成强柱弱梁抗震概念设计是有一定影响的，因此，粱加腋设计时需注意：对于边柱或仅有一侧加腋的中柱，考虑到柱两侧弯矩的不平衡和粱加腋处轴力对柱形成的剪力作用，需要对柱进行加强设计;此外，需避免加腋高度过高使框架柱形成短柱。

综上所述，从加腋对粱受力和变形的影响可知，建议加腋长度取0.1～0.15倍梁跨度，加腋高度约取0.4倍粱高，加腋坡度大约取1：3，同时尽量避免柱单侧粱加腋和避免因加腋形成短柱。

2、梁端竖向加腋对配筋的影响

虽然粱加腋后梁端弯矩可能有较小的增大，但是加腋增大了梁端截面高度，提高了抗弯内力臂，能够减少梁端抗弯纵筋。根据力学知识可知，支座弯矩一般是跨中弯矩的2～3倍，地下室框架梁所需支座抗弯纵筋一般较大，粱的加腋可以大幅减少梁端纵向受弯钢筋。另外粱加腋可以减小跨中弯矩，因此粱跨中底部纵筋也会有一定程度的减少。

梁端截面的加大，降低了梁端剪应力，提高了梁端的抗剪承载力，因此梁端所需抗剪箍筋会减少。但是，加腋粱的抗剪不仅需要验算梁端截面处，还需验算粱中加腋尾部处的抗剪承载力。对于没有次梁集中荷载作用的有粱大板楼盖结构体系，剪力和腋高均从梁端至跨中呈线性变小，因此对于无次梁的有粱大板结构体系的框架梁，加腋可以有效减少框架梁受剪所需箍筋。对于有次梁集中荷载作用的主次梁楼盖结构体系，腋高从梁端至跨中呈线性变小，而剪力从梁端至次梁作用处并未大幅减小，因此对于主次梁楼盖中的框架梁，加腋对减少受剪箍筋的作用有限。

为了保证梁腋满足受力要求，加腋需要满足如下图1所示的构造措施[2]。由于拱效应，加腋处存在轴力作用，腋底部需要配置斜向构造纵筋，其截面面积不小于粱底纵筋的1/4且需满足最小配筋率的要求，以4  20的斜向构造纵筋为例，假设柱宽hc为600mm、腋长c1为1000mm、钢筋锚固长度为700mm，即两端加腋粱比非加腋粱增加了总长约（700+1000+600+1000+700）X4=16000mm的20斜向构造纵筋。此外，粱的加腋增强了节点核心区刚度，使得粱柱与加腋连接点成为梁柱的不利截面位置，梁柱加密区应从该点算起，假设腋长c1为1000mm，即两端加腋粱比非加腋粱增加了2米长的箍筋加密区。因此，虽然粱加腋可以减少计算所需的抗弯纵筋和抗剪箍筋，但是考虑构造措施后，加腋粱的实际配筋不一定会减少。

3、梁端竖向加腋的综合效益分析

以上分析可知，框架梁端竖向加腋能产生拱效应，使粱受力更合理，能减小粱跨中弯矩，能提高梁端抗弯承载力和抗剪承载力。对于地下室顶板，一般梁跨度较大、覆土较厚、存在消防车等活荷载，所需粱高较高、配筋较大，如果采用加腋粱，能减小粱高和配筋，粱高的减小使得地下室埋深可以减小，能产生较大的经济效益。

工程设计过程中，人们普遍关注的是加腋对粱纵筋的减少，很少关注梁端竖向加腋会增加斜向构造纵筋、会增加构造箍筋用量、会增加混凝土用量、会增加加腋处箍筋开料和绑扎的难度、会增加模板量、会增加施工难度和工期、对地下室美观度也有一定影响。可见，虽然加腋粱有很多优点，但是很多情况下是不适用的，只有在粱跨较大、受力较大、净高有要求时，梁端竖向加腋才能产生较好的综合效益。

结语：

框架梁端竖向加腋使得梁受力更合理，能减小粱跨中弯矩，能减小粱跨中挠度，能减小梁端纵向受力纵筋。对于无次梁的框架梁加大板的楼盖体系，加腋可以有效减少框架粱的抗剪箍筋;对于主次梁楼盖体系，加腋对减少框架梁受剪箍筋作用有限。虽然加腋有极大的优势，但是也增加了粱的构造措施和施工难度，当粱跨较大、受力较大、净高有要求时，梁端竖向加腋才能产生较好的综合效益;当粱跨较小、受力不是特别大时，梁端竖向加腋具有较差的经济性和合理性。此外，粱加腋需避免使柱子形成短柱，柱子两侧粱尽量同时加腋，柱子单侧粱加腋时需考虑加腋处粱轴力对柱子的影响。

参考文献：

[1]袁振軍.加腋梁工程特性有限元参数分析[J].低温建筑技术，2008，4（3）：60-61.

[2]16G101-1混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图（现浇混凝土框架、剪力墙、粱、板）[S].北京：中国计划出版社，2016.

作者简介：

盛孟（1988.07-），男，本科，工程师，主要从事结构设计工作。