高架车站构件抗剪及超筋问题研究

陈卓

摘要 在轨道交通高架结构设计中，常因考虑罕遇地震下性能化设计、盖梁大跨度悬挑而导致深受弯构件的产生，其受剪截面不足及计算超筋的问题难以避免。该文以某实际项目为例，在不改变构件尺寸的情况下，从优化活载布置、优化计算恒载、提高混凝土强度、采用集中对角斜筋或对角暗撑及配置双梁等角度解决了深受弯盖梁截面不足的问题。对同类工程问题的解决提供借鉴。

关键词 高架车站;地铁工程;受剪截面;深受弯;计算超筋

中图分类号 TU973.31 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）13-0129-03

0 引言

解决深受弯构件的受剪截面不足及计算超筋问题，增加构件截面及构件强度是最直接的方法。而一味地加大构件尺寸往往受到建筑使用功能的制约，且有时效果适得其反。该文以实际工程为例，从规范规程出发，在尺寸和强度不变的情况下，尝试了多种其他方法，最终解决了实际工程问题。

1 项目概况

某城市轨道交通高架站，采用路中双柱三层高架侧式站台的结构形式，地面一层为架空层，上设站厅层、站台板下设备层及站台层，一层层高7.95 m，站厅至站台层高8.1 m。车站主体结构长143 m，宽26.3 m，上设屋面钢结构罩棚。车站的整体剖面布置图如图1。

2 问题描述

在该工程中，由于首层采用双柱悬挑梁的结构形式，其上两层荷载通过梁上立柱的方式将上部荷载传至悬挑盖梁，盖梁的单侧悬挑长度达10 m，受建筑使用功能和搭设桥梁的约束，盖梁的理想尺寸为变截面梁，支座端高度为2 200 mm。同时，为控制悬挑梁挠度，需配置三排预应力钢筋（预应力计算不在该文论述范围，但计算时已考虑预应力钢筋对梁的影响）。中部盖梁尺寸为2 400×2 200（mm），跨度为5.8 m，采用盈建科（YJK4.0）建立分析模型（如图2），设计取容许应力法与YJK软件计算结果的包络值。在罕遇地震工况计算中发现，该构件最大配筋率超限（2.95%>2.75%）及抗剪截面不足（V/b/h0=4.85>1/γRE*0.20*βc*fc=4.50）。

3 解决思路

该工程中，中部盖梁支座截面有效高度h0为1.76 m，跨中截面有效高度h0为1.98 m，计算跨度l0为3.4 m，梁宽b为3.4 m，按不利情况考虑，hw/b=0.52。查阅现行规范规程：

当不考虑地震时，根据《混凝土结构设计规范》G.0.3条，该构件受剪截面应满足：

当考虑频遇地震时，根据《混凝土结构设计规范》11.3.3条，该构件受剪截面应满足：

当考虑设防地震与罕遇地震的性能化设计时，根据《建筑抗震设计规范》M.1.2条，该构件受剪截面应满足：

式中，V——剪力设计值;l0——计算跨度，当l0小于2h时，取2h;该工程取4.4 m。b、h——b*h为构件截面尺寸，该工程取3.4 m*2.2 m。 h0——截面有效高度，该工程取1.76 m。hw——截面的腹板高度：矩形截面，取有效高度h0，该工程取1.76 m。βc——混凝土强度影响系数：当混凝土强度等级不超过C50时，βc取1.0;当混凝土强度等级为C80时，βc取0.8;其间按线性内插法确定;该工程取1.0。fc——混凝土轴心抗压强度设计值。

因此，从计算公式涉及参数简单归纳，可以从增加构件尺寸、提高混凝土强度等级、降低剪力设计值等方面解决深受弯构件的抗剪截面不足问题。配合优化配筋方式、优化计算软件参数还可以同时解决配筋超筋的问题，该工程采用并对比了各种处理方法，具体如下：

3.1 增加构件尺寸

为解决构件抗剪截面不足问题，增加尺寸是最直接的方式。该工程由于受建筑使用功能和搭设桥梁的约束，跨中盖梁不具备增加尺寸的条件。

但此处应该注意，在结构构件尺寸不断增大的同时，曾有学者在无腹筋梁抗剪试验中发现，随着试验梁截面高度的增加，其名義抗剪强度（一般指抗剪强度同截面有效面积的比值）逐渐减小，即试件尺寸效应的存在——钢筋混凝土构件的斜裂缝宽度随着截面高度的增大而增大，从而降低斜裂缝界面骨料的相互机械咬合作用，导致开裂区传递剪力能力大大削弱，这种抗剪强度随着截面尺寸的增大而减小的现象通常被称为尺寸效应[1]。相应地，构件截面增大后，自重会增加，也会变得更“刚”，吸收更多的地震力，会出现计算配筋量不减反增的情况，需要结合具体平面布置进行多次对比试算。

3.2 优化活荷载布置

（1）按照相关规范规程优化设计时计入的活荷载，如按照《地铁设计规范》（GB50157—2013）10.3.15条：“车站站台、楼板和楼梯等部位的人群均布荷载值应采用4.0 kPa。”又根据10.6.10条：“横向单柱或双柱的高架车站墩柱结构……计算时应计入一条线100%竖向静活载和50%站台人群荷载”，即整体模型计算时，站台层的人群设计活荷载可以由4.0 kN/m2优化为2.0 kN/m2。

（2）通过计算软件参数设置优化参与计算的活荷载。如采用YJK建模计算时，若建筑使用功能满足《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）5.1.2款时，可通过点选：“前处理及计算”—“计算参数”—“活荷载信息”—勾选“设计时折减柱、墙活荷载”及调整“楼面梁活荷载折减设置”，以此减少参与计算时的可变荷载作用。该工程中，对使用功能为办公室、机房、旅客等候室的房间按照“从属面积超过50 m2时，楼面梁活荷载折减0.9”考虑。

（3）当建筑功能允许时，也可以由建筑专业配合优化平面布置，将机房、泵房、含蹲便位的卫生间及下挂夹层等荷载较重的房间，优化布置于结构构件计算余量更充足处，如靠近悬挑梁支座端，避开边梁、边柱的平面位置。

3.3 优化计算恒载

（1）在建筑功能和消防要求允许的前提下，通过采用轻质材料和减少厚度，降低建筑隔墙、降板回填、架空地面的永久荷载设计值。

（2）通过设置计算软件参数优化参与计算的恒荷载。当采用较厚楼板或布置有暗梁时，可通过扣除楼板自重与梁的重叠部分，减少计入的恒载。如采用YJK建模计算时，可以通过点选“楼层组装”—“必要参数”—勾选“现浇楼板自重扣除与梁墙重叠部分”。以及可以通过点选“前处理及计算”—“计算参数”—“计算控制信息”—勾选“梁墙自重扣除与柱重叠部分”。采用此方法将减少结构自重和质量，并相应减少地震剪力和位移等。

3.4 提高构件混凝土强度

在相同条件下，钢筋混凝土深受弯构件受剪承载力会随着混凝土强度的提高而增大。如采用YJK建模计算时，可通过点选“构件布置”—“材料”—“材料强度”仅对截面不足及计算配筋超筋的梁混凝土等级进行提高。

值得注意的是，高强混凝土构件的剪切裂缝界面比较光滑，这导致界面间剪力传递减弱，从而使深梁抗剪承载力与混凝土强度关系不是一成不变的。

3.5 采用集中对角斜筋或对角暗撑配筋

对于轨道交通结构中的深受弯构件，当配筋超筋时也可以参考剪力墙结构中的连梁做法，按《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）11.7.10条，采用集中对角斜筋配筋或对角暗撑配筋的做法，减少纵筋数量满足最大配筋率。同时，此方法对梁的刚度只进行了有限折减或者不折减，使深受弯构件发生剪切破坏时，达到地震作用的延性需求。

在YJK计算软件中，可以通过点选“前处理及计算”选项卡下“特殊梁”中的“交叉配筋”与“对角暗撑”，对个别梁进行特殊定义。该工程中，由于盖梁需要配置三排预应力钢筋，不具备空间排布斜向钢筋。

3.6 用“双连梁”等效替代

“双连梁”是指在连梁中部以水平裂缝隔开的上、下两根连梁，参照此种方法，可将深受弯构件等效成截面相同的两根梁，其截面的抗剪承载力虽然没有改变，但可以增大其实际抗弯承载力，是一种行之有效的解决深受弯构件超筋问题的特殊手段。

设计时，通常按照抗剪截面面积相等的原则进行简单等效，等效梁的宽度与原梁宽度相同，高度为原梁高度的一半。这种分别设置在水平缝上与下的组合连梁，与两根同截面连梁并排设置是不同的。前者的实际抗弯能力比后者有明显提高，其主要原因是上、下设置的连梁承担着附加轴力，轴力形成的内力偶对外力起平衡作用[2]。

除普通钢筋混凝土双连梁外，还可以内置钢板和纤维材。根据其他学者的试验研究，加入钢板的钢板—混凝土双连梁试件在峰值点处的承载力相对普通钢筋混凝土双连梁提高将近1.56倍，而钢板—纤维增强混凝土组合双连梁试件的累积耗能是普通钢筋混凝土双连梁的5.26倍，其承载能力、变形能力和塑性耗能更胜一筹[3]。

该工程中，也对比了采用“双连梁”的布置方案，超筋问题确实得到了解决，但鉴于高架站盖梁是外露结构构件，由于改变外观较多，最终未采用该方法。

3.7 内置型钢钢骨

在普通的钢筋混凝土深受弯构件中，可以通过内置型钢钢骨来有效满足抗剪需求。采用此方法时应注意，内置型钢钢骨同时会使得深受弯构件的抗弯强度大幅增高，刚度增大使得构件变形减小，影响构件的破坏形态及整体结构的分析结果，因此对结构塑性耗能构件使用内置钢骨的方法解决抗剪问题，会使得罕遇地震下的破坏程度降低，弹塑性耗能减少，出现达不到性能目标水准、影响整体抗震性能的情况，应谨慎使用[4]。

3.8 其他方法

除上述几种方法外，解决深受弯构件的抗剪截面和超筋问题，还可以通过减少平面外搭设次梁、避免楼板开洞（考虑楼板作为梁翼缘的有利作用）、次梁改为铰接及利用主筋和腰筋抗剪等方法解决，在此不再赘述[5-11]。

4 总结

针对轨道工程高架站设计中经常遇到的深受弯构件受剪截面不足及计算超筋的问题，该文从工程经验和公式原理出发，总结归纳出增加构件尺寸、优化活荷载布置、优化计算恒载、提高构件混凝土强度、采用集中对角斜筋或对角暗撑、用“双连梁”等效替代、内置型鋼钢骨及其他方法八个解决思路，并结合某实际工程，对其首层中跨盖梁通过YJK计算软件进行多次比对和尝试。经过对比，内置型钢钢骨、减少荷载、提高尺寸和强度的思路效果最为明显，但考虑到建筑使用功能和混凝土浇筑空间的制约，最终利用优化活荷载布置、优化计算恒载、提高混凝土强度、改变平面布置的方式解决了这一实际工程问题。

参考文献

[1]孙阔. 钢筋混凝土深梁受剪承载力与尺寸效应[D]. 大连：大连理工大学， 2014

[2]结构设计统技术措施（2018版）[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2018.

[3]田建勃， 王梦梦. 钢板—纤维增强混凝土组合双连梁抗震性能试验研究[J]. 工程科学与技术， 2021（3）： 40-44.

[4]何忻炜， 郑毅敏. 超高层建筑连梁抗剪截面不足问题的解决方法研究[J]. 结构工程师， 2012（3）： 16-22.

[5]刘青兰. 城际轨道交通高架站站台梁设计[J]. 桥梁结构， 2021（5）： 99-100.

[6]建筑结构荷载规范： GB50009—2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2012.

[7]混凝土结构设计规范： GB50010—2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2010.

[8]地铁设计规范： GB50157—2013[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2013.

[9]建筑抗震设计规范： GB50011—2010（2016年版）[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2010.

[10]盈建科YJK软件从入门到提高含实例[M]. 北京：中国建筑工业出版社， 2018.

[11]城市轨道交通工程技术规范[S]. 上海：同济大学出版社， 2017.