结构次梁布置对工程用料的影响研究

施梦莹 SHI Meng-ying；张超则 ZHANG Chao-ze；施梦涛 SHI Meng-tao

（①河北建研建筑设计有限公司，石家庄 050000；②电联工程技术股份有限公司，杭州 310016；③河北省建筑科学研究院有限公司，石家庄 050000）

0 引言

框架结构的主次梁布置、截面选择，大都依赖于设计师的实践经验来确定。根据建筑对结构的功能要求，按经验先确定结构的材料和几何尺寸，然后进行结构计算分析比较，最后确定方案。在这种设计方法中，大多数设计者以规范为标准，充分考虑了结构构件的安全性，却难以顾全结构的经济性。[1]要想实现对建筑经济性的有效控制，就必须要从设计环节开始抓起，为了更明确地比较框架结构次梁布置对工程用料的影响，通过对两种次梁布置方式进行对比分析，并结合实际工程案例探讨各种方案的应用性，为次梁的结构布置方案选择提供一定的数据支持。

1 工程概况

某住宅小区项目的临街商业部分，该项目地上2 层，无地下室，建筑高度为8.45m，结构形式为框架结构，为多层公共建筑，基础形式为柱下独立基础；本项目商业建筑面积不大属标准设防类建筑；地震设防烈度：6 度（0.05g）；设计地震分组：第二组；建筑场地类别：Ⅲ类场地；框架抗震等级为三级；结构设计工作年限50 年。建筑二层平面布置图如图1 所示，楼面活荷载取4kN/m2，屋面活荷载为0.5kN/m2。最大柱网间距为8.4m×6.0mm，柱截面选取③轴上柱子截面为500mm×500mm、其余柱子截面450mm×450mm，边框架梁截面为300mm×600mm，②轴上框架梁截面为300mm×600mm，次梁截面根据次梁结构布置方式的不同而进行相应的调整。梁、柱、板、基础混凝土强度均为C30 混凝、所用钢筋均为HRB400 钢筋。

2 次梁结构布置方案

目前框架结构中梁板式的布置形式有单次梁结构、单向双次梁结构、十字梁结构、井字梁结构等方式。由于本项目中商业建筑功能布局的要求，在每个柱跨的边缘部分都有楼梯间，使横向次梁不能居于跨中，并且楼梯间贯穿整个柱跨，无法布置纵向次梁，所以由于建筑功能的限制，本项目不能做成传统的十字梁结构布置方式。虽然现在计算软件可以用有限元方式精准计算井字梁结构，但是鉴于此项目功能仅为商业上部荷载并不大，开间也不算太大，不能充分发挥井字梁的优势，因此本项目也不考虑井字梁结构的布置方式。

经过一系列的比较，在众多的梁板式结构布置方案中，选取两种比较适合此次项目的方案进行更深入的系统比较，这两个方案分别是单次梁方案、单向设置双次梁方案（见图2），并通过对比梁、板、柱的单位面积用钢梁（kg/m2）、总用钢量（kg）；梁、板、柱的混凝土工程量（m3）、总混凝土用量（m3），分析两个方案各自的优势（见表1）。讨论不同次梁布置方案下，梁、板的配筋具体用钢量的差距，通过单个构件用钢量的比较，再综合整个建筑物用钢量的比较，从单构件到整体的用钢量的比较能较为直观和系统地比较出两个方案各自的优缺点。从表1 的数据中就能判断出如何选择合适的次梁布置方案更为合理，再结合建筑的使用功能就可以选择出更符合后期建筑功能使用要求的次梁布置方案。此项目的建模计算均采用盈建科建筑结构设计软件YJK V5.3.0 版本，两个不同次梁布置方案的计算模型均采用的是相同的计算参数，此次研究仅针对次梁布置对工程用料的影响，所以其他计算指标结果就不在此赘述。

表1 YJK 计算软件分析计算统计结果

图2 次梁布置方案

2.1 单次梁布置

单次梁布置方案中，沿着楼梯间的隔墙布置一道次梁，通过图2 中的（a）图可知，如果仅沿楼梯间布置一道次梁，会导致一侧板WB1 跨度很大，从而导致所需板厚过大。依据《混凝土结构设计规范》9.1.2 条中的板的跨厚比要求得，混凝土单向板不大于30。[2]本项目在仅设置一道次梁的情况下，WB1 按单向板考虑，选择板厚为150mm；WB2 按双向板考虑，选择板厚为120mm。

单次梁方案结构受力形式为非均匀受力，大部分力传到次梁上和框架梁上，导致次梁在支座位置负弯矩很大。经过YJK 计算软件的计算分析，可知单次梁在支座位置所需钢筋较多，并且单次梁方案中板的混凝土用量和钢筋用量也很大。在YJK 计算输出的工程量统计结果中显示，虽然单次梁的结构形式，单根次梁的梁支座位置负筋配筋相对面积较大，但是与双次梁模型计算结果比较却发现，在计算整个模型中单独统计所有梁的钢筋和混凝土用量时，单次梁模型中梁的总用钢量为19184.217kg，混凝土工程量为142.763m3，双次梁模型中梁的总用钢量为20333.373kg，混凝土工程量为167.767m3，见表1。数据表明，在跨中布置两道梁会减小主框架梁的弯矩，也能减小次梁所分担的弯矩，但是由于柱跨内梁的数量增加了，相应梁所需的纵筋、箍筋、混凝土量也会增加。这时候就需要建立模型实际验算不同柱跨的尺寸时候，哪种次梁布置方式更为节省材料。

从表1 中还能反应出单次梁结构中，由于次梁数目少，导致板的跨度会很大，相应的板厚也会增大。板厚过大会有很多弊端，首先，板厚较厚会直接导致板内配筋是由最小配筋率控制，不能充分发挥厚板的作用反而增加钢筋用量；其次，楼板板块过大，会产生塑性干缩裂缝，塑性收缩是硬化前的新拌混凝土在凝结过程中因表面水分蒸发而引起的干缩裂缝，常见于浇筑后混凝土构件的外露表面，尤其是大块板面。[3]在选用单次梁结构布置时，需要注意采取措施避免混凝土板产生裂缝。还有，板厚增大了势必会增加混凝土用量，增大上部结构自重，这对基础计算也会有一定的影响。

单次梁的布置方案优点也很突出，例如在此次项目中，次梁的总数相对于多次梁结构较少，在施工过程中梁所需模板数量也会减少方便施工，加快施工速度。单次梁结构梁的数量较少，板格种类也会相应减少，相应钢筋长度和放置间距种类也会减少，同样也会加快施工速度。此项目是公共商业建筑，一个柱跨之内只有一道次梁，使绝大部分使用空间的净高很好，方便作为商业用房的装修和使用。

2.2 单向双次梁布置

单向双次梁布置方案，把整个柱跨之间的板块划分为近似等分的3 块单向板块。最大板跨为2.0m，属于单向板，板厚取100mm。通过YJK 软件计算分析可知：由于柱跨中间分成了三个板块，导致次梁上的荷载减小，次梁负弯矩位置所需钢筋也较单次梁方案有所减少。

在YJK 计算输出的工程量统计结果中显示，虽然在单独统计梁的用料一项中，双次梁的优势不太明显，但是在统计整个项目的钢筋用量和混凝土用量中，双次梁的优势还是很显而易见的，具体数据见表1。双次梁结构的布置，可以把板块分割得更小更均匀，减小板厚；由于板跨变小，单根次梁的负荷面积变小，使得单根次梁的负弯矩变下，相应的负弯矩筋也变小，梁的受力模式更为合理；双次梁还把梁上的承受集中力的模型改变为两个集中力的作用方式，对结构②轴上框架梁的受力也有有利影响。

但是由于本项目中次梁跨度较大，次梁高度并不能减小很多，在已经确定好层高的前提下导致户内使用空间的净高无法提高，这是双次梁布置在本项目中优势不太明显的重要原因。由于双次梁的布置方式使板块跨度减小，板块跨度变小相应的楼板厚度也随之减小。板跨变小楼板负荷面积变小，板底受力筋是最小配筋率控制，相较于单次梁模型板内钢筋含量大大减少。楼板厚度减小，结构自重会相应地减小，这对于基础设计是有利的。

3 结论

综上所述，在此项目中，单次梁布置方式优点在于，次梁数目少，施工支模操作简单，建成后空间使用净高较高；双次梁的布置方式优点在于，增加次梁数目，减小板厚，结构自重较小，总体混凝土和钢筋用量少。单次梁结构和双次梁结构都各有优缺点，而且此项目规模较小，对于两种方案的布置，对总造价影响并不突出，所以在实际项目中，需要根据建筑的具体使用功能和实际项目的实际规模来确定结构方案布置。