宽扁梁结构设计与分析

宽扁梁结构设计与分析

唐舶凌

四川省纺织工业设计院 四川 成都 610021

摘要：在城市建设发展过程中，建筑物的高度受到城市规划的限制和影响，导致楼层高度也相应受到制约。同时，现代建筑的智能化和信息化发展，设备管线越发增多，因此，在建筑层高的限制下，楼层结构梁对室内净高有很大的影响。为了满足对净高的要求，自20世纪90年代开始，宽扁梁结构设计就成功的应用于建筑设计当中。国内外多家研究机构也结合工程实际情况，进行了大量的实验和计算分析，研究表明，宽扁梁结构符合相关力学理论假定，满足抗震设防标准。因此，对净高有明确限制的项目有广阔的应用空间。

关键词：宽扁梁；截面特性；刚度调整系数；有限元算法

引言

宽扁梁结构由于其设计特点，在工程中的应用逐渐增多，本文结合笔者的工程具体实践经验，对宽扁梁结构设计中应当注意的设计要点等相关问题开展分析，为大家提供技术交流和借鉴。并且该工程宽扁梁结构区别于一般规范上所规定的宽扁梁，本工程梁更侧重于“扁”，而没有“太宽”。

一、宽扁梁概述

（一）结构特点

普通矩形梁截面的高宽比h/b一般取2.0~3.5；当梁宽大于梁高时，梁就称为扁梁；梁的宽度大于矩形柱的截面尺寸，大于圆形柱直径的

80%称为宽扁梁。介于普通的梁板体系和无梁楼盖体系之间，既可以满足业主对于建筑净高的要求，又能保证结构具有一定的刚度和延性，集两者之优点。

（二）理论依据

（1）《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）第6.3.2条规定：

采用扁梁的楼、屋盖应现浇，梁中线宜与柱中线重合，扁梁应双向布置。扁梁的截面尺寸应符合下列要求，并应满足现行有关规范对挠度和裂缝宽度的规定：bb≤2bc；bb≤bc+hb；hb≥16d

式中：bc为柱截面宽度；bb、hb分别为梁截面宽度和高度；d为柱纵筋直径。扁梁不宜用于一级框架结构。在王昌兴主编的《建筑结构抗震设计及工程应用》书中第7.3.4条也有类似相关规定，不过该条文更明确了“不宜在一级框架结构中采用梁宽大于柱宽的扁梁”，而对于梁宽小于柱宽的扁梁则没有进行说明。

（2）《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2010)第6.3.1条规定：

当梁高较小或采用扁梁时，除应验算其承载力和受剪截面要求外，尚应满足刚度和裂缝的有关要求。

《广东省高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ/T 15-92-2021）第6.3.5条有专门的宽扁梁设计及构造规定，其中和以上国家规范有所区别的是：1.限制了梁高，hb≥L/25,L为梁的跨度。2.规定“一级框架结构的框架梁不宜全部采用宽扁梁”，这句话明确了使用范围。3.规定“宽扁梁纵向受力钢筋的最小配筋率除应符合第6.3.2条的规定外，尚不应小于0.3%，宜单排设置，间距不宜大于100mm。”这一条明确了配筋的要求，同时可以看出如果梁配筋按多排设置，将减少梁的有效高度，梁的高宽比本来就已经很小了，显得更不合理，故钢筋宜单层设置。

（三）相关研究结论

（1）宽扁梁的截面特性

相同断面积情况下，宽扁梁比普通梁惯性矩小，承载力低且挠度大，一般配筋量会大些；同时，为了控制裂缝和挠度，又需要增加很多的钢筋。为什么会这样呢?因为梁的刚度，与宽度关系小，与高度的关系很大。按照刚度公式，高度不变增加宽度时，梁的刚度不会增加很大，而重量和质量则大大增加，导致地震作用力也增加了，引起配筋量的加大。

（2）宽扁梁的刚度调整系数

一般情况下，我们会把混凝土板作为梁的翼缘增加其截面刚度，因此，软件中是先取框架梁的矩形截面进行刚度计算，在刚度调整时，通过刚度调整系数进行放大。但是，宽扁梁结构梁与板的刚度比较小，不能忽略其对于梁作为板的刚性支撑的影响，因此，需要考虑梁的刚度调整系数的变化，才是合理的结果。

（3）宽扁梁的楼板计算

宽扁梁结构一般是配合大板进行设计。在计算楼板时，由于梁与板的刚度比越小，受力状态就越接近于无梁楼盖。如果设计人员按照传统方法计算双向板内力，进行楼板配筋，将与楼板的实际受力情况明显不符合，尤其是楼板上有隔墙，其荷载传递路径更不清晰，受力状态更不明确。因此，需采用有限元方法进行计算。

二、工程实例

（一）工程概况

该项目名称为“金融中心二期商务区N区集中商业”，位于贵阳市金融中心核心区域，地上6层，地下2层，纯商业用途，使用功能包含购物，电影院及屋顶景观公园，各层高在5.5m左右，柱跨8.4mx8.4m，抗震等级二级。在项目的重要性和建筑指标等条件下，业主明确要求做宽扁梁结构，满足净高要求。

（二）大面积采用宽扁梁对整体结构的分析

经过研究最后确定梁高为500mm，梁宽为700mm，梁宽小于柱宽800mm，不同于规范上所说的梁宽大于柱宽。这样做的好处是，不用去分析梁超出柱宽范围部分的节点计算和做法，既简化设计，又方便施工。同时，楼板厚度取250mm，采用厚板做法，配筋计算采用有限元计算方法。结构平面布置如下图所示：

经过计算，典型楼板的梁柱配筋值及配筋率均在合理范围，梁挠度和裂缝值也满足规范要求。其中梁的支座及底板钢筋配筋率最大为1.53%。

接下来，我们再拷贝一个模型，将相关典型楼板范围采用常规主次梁受力方式进行布置，以及截面梁高宽大小根据跨度和受荷情况拟定，其结构平面布置如下图所示：

（三）含钢量统计

宽扁梁体系：

楼层	楼面面积（㎡）	构件类别	单位面积量（kg/㎡）
第3层	17171.97	板	12.487
		梁	22.411
		柱	8.796
		边缘构件	0.06
		墙身	0.066

主次梁体系：

楼层	楼面面积（㎡）	构件类别	单位面积量（kg/㎡）
第3层	17171.97	板	10.388
		梁	24.900
		柱	8.776
		边缘构件	0.06
		墙身	0.066

我们通过统计含钢量比较发现：

宽扁梁结构 主次梁结构

楼板 12.487 10.388

梁 22.411 24.900

柱 8.796 8.776

扁梁结构楼板多了12.487-10.388=2.099kg/㎡

主次梁结构梁多了24.900-22.410=2.490kg/㎡

扁梁结构柱多了8.796-8.776=0.020kg/㎡

合计减少含钢量：0.371kg/㎡

统计比较发现，各构件含钢量的变化情况符合这两种结构体系的受力模型，但总体含钢量变化很小。扁梁结构即使考虑构造加强，主次梁结构再优化下梁截面和配筋，最后含钢量也不会增加太多。宽扁梁结构的含钢量在可接受范围内。

三、结论

通过以上理论分析，宽扁梁的延性和变形能力较好，能达到“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的抗震设计目标。通过实际工程案例可以看出，宽扁梁结构有利于层高的合理利用和增加建筑使用面积，并具有较合理的经济性。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011-2010（2016年版）建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]广东省住房和城乡建设厅.DBJ/T 15-92-2021广东省高层建筑混凝土结构技术规程［S］.中国城市出版社，2021.

[4]王昌兴.建筑结构抗震设计及工程应用［J］.中国建筑工业出版社，2008