塑性铰区开洞梁的受力性能与工程应用*

孙立春 林旭川

1.郑州市建筑设计院 450007

2.中国地震局工程力学研究所 哈尔滨150080

引言

随着人们对建筑功能要求越来越多，建筑中的通风、空调、热水以及上下水管道越来越复杂。这些管道通常在梁底穿行，这就增加了楼层的高度，如果设备管线能从梁中穿洞而过，使结构高度和管道高度合二为一［1］，则可以增加使用空间，降低工程造价，获得显著的经济效益，提升建筑空间品质。

在实际工程中，设备管道往往布置在框架梁端紧贴柱根处，而该位置多为塑性铰区，相关标准中对梁在该区域开洞有所限制［2］。因为在该区域增加孔洞，将使梁的有效截面减少，降低梁的承载力和塑性铰区的耗能能力，影响整体结构的抗震安全性和洞口周围的局部稳定性，并带来相应的构造问题。目前针对混凝土开洞梁的研究未能反映出结构的真实受力状态，且理论研究较多，对实际工程应用细节缺乏探讨，若处理不当，易引发工程事故，降低结构的可靠度［3］。

本文以某剪力墙结构高层住宅项目中塑性铰区开洞梁的应用为背景，针对具体加强措施进行了有限元仿真分析，结果表明采取恰当的加强措施后能够保证梁的安全性，并在该项目施工中进行了实际应用，为塑性铰区穿洞梁的应用提供了参考。

1 开洞梁的设计与有限元模型

1.1 原型结构开洞梁构造措施

在某剪力墙结构高层住宅项目中，为控制楼层净高，采用在框架梁塑性铰区进行设备管道穿梁的方案，针对该方案的特殊性，采取了如下加强措施［4］，如图1所示：（1）在开洞梁两侧设置了斜腋，以增强上部弦杆的抗弯抗剪性能；（2）在上下弦杆及洞口之间的腹杆处设置密箍以增强抗剪性能，并设置斜筋以加强腹杆的撑杆作用，保证梁的整体性能；（3）设置钢套管，加强与混凝土的界面连接，保证钢套管等效刚度大于削弱的混凝土。

图1 开洞梁具体构造详图Fig.1 Detail drawing of the beam with openings

1.2 梁端加载

塑性铰主要是保证梁在中震时梁的耗能能力，以实现“中震可修”的性能目标。运用PKPM软件对整体结构进行了小震弹性和中震不屈服分析，得到开洞梁端最大弯矩为471kN·m，最大剪力为287kN。运用MSC.MARC非线性有限元软件对塑性铰区开洞梁进行分析，考虑到开洞较多，为了对构件承载力与破坏情况进行分析，选取抗弯为主与抗剪为主两种加载方式，并分别对梁受弯（受剪）的不同方向进行加载分析。

1.3 有限元模型的建立

混凝土开洞梁模型由混凝土、钢套管、钢筋和弹性墙体四部分组成。混凝土强度等级C30，钢筋采用HRB400热轧带肋钢筋，钢套管采用Q235B钢材。

混凝土采用8节点实体单元建模，赋弹塑性-断裂材料本构属性，混凝土的开裂采用弥散裂缝模型进行仿真模拟，强度超过压溃应变后即为失效［5］；钢套管采用厚壳单元，考虑钢材的屈服与强化，采用随动强化与von Mises屈服面；钢筋采用杆单元，材料本构与钢套管的弹塑性本构一致。钢筋模型建立后，通过Inserts功能将整个钢筋笼嵌入到混凝土实体模型中，实现钢筋笼与混凝土的共同工作；为使高层混凝土开洞梁具备合理的边界条件，在钢筋混凝土开洞梁端部，增加一段200mm厚的墙体，并将其节点固定。

在建模过程中，圆钢管与混凝土采用节点耦合的形式进行连接，假定二者可以较好地进行共同作用。因此，实际工程中圆钢管与混凝土之间需要采取足够的抗剪、抗拉的连接措施。具体荷载采用PKPM计算的剪力、弯矩值。开洞梁模型如图2所示。

图2 开洞梁模型Fig.2 Model of opening holes beam

2 开洞梁抗弯性能分析

混凝土开洞梁在负弯矩与剪力共同作用下，当剪跨比为3.0时，该梁由受弯承载力控制，跟实际工作状态较贴近。在梁端施加正负两个方向的竖向位移，可得到梁端弯矩与加载位移的关系曲线，如图3所示。

由图3可知，正弯矩屈服承载力略高于负弯矩屈服承载力，且屈服值均在800kN·m以上，明显高于设计弯矩包络值471kN·m，即该混凝土梁开洞后弯矩满足设计要求，在达到中震不屈服设计荷载时还具有很好的承载能力储备。

图3 梁端弯矩-加载位移关系曲线Fig.3 Relation curve of bending moment and load deflection

2.1 开裂和屈服分析

在该混凝土开洞梁上施加向下3mm、10mm、60mm竖向位移Δ，3mm时构件初始开裂，10mm时构件屈服开裂，60mm时构件接近极限状态，不同幅值下的混凝土的开裂情况如图4所示。

图4 受弯构件开裂情况Fig.4 Cracking of flexural members

由图4可知，开洞梁的混凝土在该加载模式下，开裂以受弯裂缝为主，根据开裂应变估计的裂缝宽度如下：（1）最大弯矩包络值作用下，最大裂缝宽度约0.23mm；（2）当构件屈服时，最大裂缝宽度约0.45mm。

2.2 钢套管与钢筋屈服情况

在该开洞梁上施加向下15mm和60mm竖向位移Δ，15mm时构件明显屈服，60mm时构件接近极限状态，不同幅值下钢套管与钢筋屈服分布如图5所示。

图5 钢筋屈服情况Fig.5 The rebar yielding status

由图5可知钢筋的屈服顺序，首先是梁端上下侧纵筋屈服，接着斜筋屈服，最后屈服进一步扩展到所有纵筋以及靠近梁端的斜筋上，屈服状态也表明塑性铰区仍然在梁端首先出现。

3 开洞梁抗剪性能分析

开洞梁在负弯矩与剪力共同作用下，剪跨比为1.5时，该梁承载力受剪力控制［6］。在梁端施加正负两个方向的竖向位移，可得到梁端剪力与加载位移的关系曲线，如图6所示。

图6 剪力-加载位移关系曲线Fig.6 The relation curve of shearing force and load deflection

由图6可知，在梁端分别施加向上和向下位移时，梁的开裂、刚度与屈服强度相接近，即加载方向对梁的剪力承载力影响不大。该开洞梁的实际抗剪承载力达到912kN，远高于设计值287kN，即该开洞梁的抗剪能力满足中震下的抗剪截面要求。

3.1 开裂和屈服分析

在该开洞梁上施加向下1mm、7.5mm和22.5mm竖向位移，1mm时构件初始开裂，7.5mm时构件屈服开裂，22.5mm时构件接近极限状态，不同幅值下混凝土的开裂情况如图7所示。

图7 受剪构件开裂情况Fig.7 Cracking of shear members

由图7可知，在该加载模式下，开洞梁混凝土裂缝呈现明显的剪切型特点，在屈服前，最大裂缝宽度小于受弯控制加载条件下的裂缝宽度，能够满足强剪弱弯的要求。

3.2 钢套管与钢筋屈服情况

在该混凝土开洞梁上施加竖直向下15mm和22.5mm位移，15mm时构件明显屈服，22.5mm构件进入极限状态，不同幅值下钢管与钢筋屈服分布如图8所示。

图8 钢筋屈服情况Fig.8 The rebar yielding status

由图8可知，在剪力作用下，梁首先在梁端纵筋处屈服，接着在各个斜筋处屈服，同时钢套管也有少量屈服。

4 开洞梁加强措施参数分析

4.1 斜筋的加强作用

针对开洞梁中斜筋、钢套管的作用情况，图9分别给出了受弯为主与受剪为主两种工况的系列荷载-位移关系曲线。

图9 荷载-位移关系曲线Fig.9 The relation curve of load and deflection

通过图9的对比分析可知，斜筋的作用与影响如下：（1）在混凝土开裂前，斜筋的影响不大；（2）混凝土开裂后，斜筋对抗弯刚度影响较小，对抗剪刚度有一定影响（图9a），无斜筋开洞梁刚度明显低于有斜筋的开洞梁（图9b）；（3）斜筋对承载力有适量影响，对屈服承载力的影响较小（图9a）。对抗剪承载力的影响稍大一些，无斜筋时，当构件出现屈服后，构件强度仍然会增长，但延性下降，一定变形之后出现强度下降；（4）图9b中抗剪屈服强度约900kN，如保守地将其作为构件极限抗剪承载力，满足高层开洞梁的抗剪承载力要求；而抗弯控制时（图9a）屈服弯矩可达800kN·m以上，其强度高于设计包络弯矩最大值409kN·m，即抗弯承载力满足设计要求。

4.2 钢套管的加强作用

图9a与图9b进一步给出了无钢套管与有钢套管钢筋混凝土梁的性能对比。图中虚线为无斜筋也无钢套管的荷载-位移曲线。可以发现，如果不设置钢套管，抗弯强度将下降10%左右，而抗剪强度下降约25%。此外，不设置钢套管时，不仅影响整体强度和刚度，还会导致孔洞周围开裂，如图10所示。因此，钢套管的作用比较明显，既参与整体受力，也确保了开洞附近局部的安全。

图10 有无套管开裂分布对比Fig.10 The cracking comparison of having drivepipe or not

4.3 斜腋的加强作用

为了研究斜腋对开洞钢筋混凝土梁的影响，图11给出了有斜腋与无斜腋的梁之间的性能对比。

图11 荷载-位移关系曲线Fig.11 The relation curve of load and deflection

由图11可知，当去掉斜腋混凝土与其内部的纵向钢筋、箍筋时，梁的刚度和承载力均明显下降，对剪切承载力的影响达到有斜腋梁极限强度的三分之一。对于孔洞较大且偏向于上部或下部一侧时，设置斜腋保证了足够受压区的强度，保证了截面的抗剪要求，延长了塑性铰区域，有效地弥补了由于开洞造成的截面损失。

5 工程实际应用情况

施工现场的钢筋布置如图12所示，由于开洞梁中斜筋和箍筋加密的设置，使得钢筋较密，对混凝土的浇筑产生了不利影响，为此建议增加箍筋的设置，取消了斜筋；并设置定位钢筋与钢套管焊接，以保证钢套管定位准确。最终现场实际安装效果如图13所示。

图12 现场钢筋布置细节Fig.12 The reinforcement layout in site

图13 管道穿梁效果Fig.13 The effect of pipeline through beam

6 结论

本文通过对高层建筑塑性铰区开洞梁力学性能的分析及工程实际应用，得到如下结论与建议：

1.在采取有效的加强措施情况下，塑性铰区开洞梁的承载安全与变形能力可以得到保证。

2.斜腋是保证梁有效截面的重要措施，当孔洞较大且偏向于上部或下部一侧时，设置斜腋有效地保证了梁的抗剪承载力，延长了塑性铰区，有效提高了梁的耗能能力。

3.斜筋对梁的承载力影响较小，对增加梁的延性有益，在箍筋足够的情况下，斜筋作用不明显；实际工程中可以增加箍筋，减少斜筋配置。

4.钢套管既参与整体受力，也可抵抗开洞附近局部的破坏，钢套管的刚度有效弥补了梁开洞后对梁刚度的削弱，因此建议开洞梁设置钢套管，且需加强钢套管与混凝土的界面连接，确保其与混凝土共同工作。

5.实际工程中梁开洞区域钢筋较密，节点施工困难，应合理选用加强措施，优化钢筋配置，以利于施工质量的保证。