陳卓

摘要 在軌道交通高架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常因考慮罕遇地震下性能化設(shè)計、蓋梁大跨度懸挑而導(dǎo)致深受彎構(gòu)件的產(chǎn)生，其受剪截面不足及計算超筋的問題難以避免。該文以某實際項目為例，在不改變構(gòu)件尺寸的情況下，從優(yōu)化活載布置、優(yōu)化計算恒載、提高混凝土強度、采用集中對角斜筋或?qū)前祿渭芭渲秒p梁等角度解決了深受彎蓋梁截面不足的問題。對同類工程問題的解決提供借鑒。

關(guān)鍵詞 高架車站;地鐵工程;受剪截面;深受彎;計算超筋

中圖分類號 TU973.31 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）13-0129-03

0 引言

解決深受彎構(gòu)件的受剪截面不足及計算超筋問題，增加構(gòu)件截面及構(gòu)件強度是最直接的方法。而一味地加大構(gòu)件尺寸往往受到建筑使用功能的制約，且有時效果適得其反。該文以實際工程為例，從規(guī)范規(guī)程出發(fā)，在尺寸和強度不變的情況下，嘗試了多種其他方法，最終解決了實際工程問題。

1 項目概況

某城市軌道交通高架站，采用路中雙柱三層高架側(cè)式站臺的結(jié)構(gòu)形式，地面一層為架空層，上設(shè)站廳層、站臺板下設(shè)備層及站臺層，一層層高7.95 m，站廳至站臺層高8.1 m。車站主體結(jié)構(gòu)長143 m，寬26.3 m，上設(shè)屋面鋼結(jié)構(gòu)罩棚。車站的整體剖面布置圖如圖1。

2 問題描述

在該工程中，由于首層采用雙柱懸挑梁的結(jié)構(gòu)形式，其上兩層荷載通過梁上立柱的方式將上部荷載傳至懸挑蓋梁，蓋梁的單側(cè)懸挑長度達10 m，受建筑使用功能和搭設(shè)橋梁的約束，蓋梁的理想尺寸為變截面梁，支座端高度為2 200 mm。同時，為控制懸挑梁撓度，需配置三排預(yù)應(yīng)力鋼筋（預(yù)應(yīng)力計算不在該文論述范圍，但計算時已考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋對梁的影響）。中部蓋梁尺寸為2 400×2 200（mm），跨度為5.8 m，采用盈建科（YJK4.0）建立分析模型（如圖2），設(shè)計取容許應(yīng)力法與YJK軟件計算結(jié)果的包絡(luò)值。在罕遇地震工況計算中發(fā)現(xiàn)，該構(gòu)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 解決思路

該工程中，中部蓋梁支座截面有效高度h0為1.76 m，跨中截面有效高度h0為1.98 m，計算跨度l0為3.4 m，梁寬b為3.4 m，按不利情況考慮，hw/b=0.52。查閱現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程：

當(dāng)不考慮地震時，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》G.0.3條，該構(gòu)件受剪截面應(yīng)滿足：

當(dāng)考慮頻遇地震時，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》11.3.3條，該構(gòu)件受剪截面應(yīng)滿足：

當(dāng)考慮設(shè)防地震與罕遇地震的性能化設(shè)計時，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》M.1.2條，該構(gòu)件受剪截面應(yīng)滿足：

式中，V——剪力設(shè)計值;l0——計算跨度，當(dāng)l0小于2h時，取2h;該工程取4.4 m。b、h——b*h為構(gòu)件截面尺寸，該工程取3.4 m*2.2 m。 h0——截面有效高度，該工程取1.76 m。hw——截面的腹板高度：矩形截面，取有效高度h0，該工程取1.76 m。βc——混凝土強度影響系數(shù)：當(dāng)混凝土強度等級不超過C50時，βc取1.0;當(dāng)混凝土強度等級為C80時，βc取0.8;其間按線性內(nèi)插法確定;該工程取1.0。fc——混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值。

因此，從計算公式涉及參數(shù)簡單歸納，可以從增加構(gòu)件尺寸、提高混凝土強度等級、降低剪力設(shè)計值等方面解決深受彎構(gòu)件的抗剪截面不足問題。配合優(yōu)化配筋方式、優(yōu)化計算軟件參數(shù)還可以同時解決配筋超筋的問題，該工程采用并對比了各種處理方法，具體如下：

3.1 增加構(gòu)件尺寸

為解決構(gòu)件抗剪截面不足問題，增加尺寸是最直接的方式。該工程由于受建筑使用功能和搭設(shè)橋梁的約束，跨中蓋梁不具備增加尺寸的條件。

但此處應(yīng)該注意，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸不斷增大的同時，曾有學(xué)者在無腹筋梁抗剪試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著試驗梁截面高度的增加，其名義抗剪強度（一般指抗剪強度同截面有效面積的比值）逐漸減小，即試件尺寸效應(yīng)的存在——鋼筋混凝土構(gòu)件的斜裂縫寬度隨著截面高度的增大而增大，從而降低斜裂縫界面骨料的相互機械咬合作用，導(dǎo)致開裂區(qū)傳遞剪力能力大大削弱，這種抗剪強度隨著截面尺寸的增大而減小的現(xiàn)象通常被稱為尺寸效應(yīng)[1]。相應(yīng)地，構(gòu)件截面增大后，自重會增加，也會變得更“剛”，吸收更多的地震力，會出現(xiàn)計算配筋量不減反增的情況，需要結(jié)合具體平面布置進行多次對比試算。

3.2 優(yōu)化活荷載布置

（1）按照相關(guān)規(guī)范規(guī)程優(yōu)化設(shè)計時計入的活荷載，如按照《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157—2013）10.3.15條：“車站站臺、樓板和樓梯等部位的人群均布荷載值應(yīng)采用4.0 kPa。”又根據(jù)10.6.10條：“橫向單柱或雙柱的高架車站墩柱結(jié)構(gòu)……計算時應(yīng)計入一條線100%豎向靜活載和50%站臺人群荷載”，即整體模型計算時，站臺層的人群設(shè)計活荷載可以由4.0 kN/m2優(yōu)化為2.0 kN/m2。

（2）通過計算軟件參數(shù)設(shè)置優(yōu)化參與計算的活荷載。如采用YJK建模計算時，若建筑使用功能滿足《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012）5.1.2款時，可通過點選：“前處理及計算”—“計算參數(shù)”—“活荷載信息”—勾選“設(shè)計時折減柱、墻活荷載”及調(diào)整“樓面梁活荷載折減設(shè)置”，以此減少參與計算時的可變荷載作用。該工程中，對使用功能為辦公室、機房、旅客等候室的房間按照“從屬面積超過50 m2時，樓面梁活荷載折減0.9”考慮。

（3）當(dāng)建筑功能允許時，也可以由建筑專業(yè)配合優(yōu)化平面布置，將機房、泵房、含蹲便位的衛(wèi)生間及下掛夾層等荷載較重的房間，優(yōu)化布置于結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算余量更充足處，如靠近懸挑梁支座端，避開邊梁、邊柱的平面位置。

3.3 優(yōu)化計算恒載

（1）在建筑功能和消防要求允許的前提下，通過采用輕質(zhì)材料和減少厚度，降低建筑隔墻、降板回填、架空地面的永久荷載設(shè)計值。

（2）通過設(shè)置計算軟件參數(shù)優(yōu)化參與計算的恒荷載。當(dāng)采用較厚樓板或布置有暗梁時，可通過扣除樓板自重與梁的重疊部分，減少計入的恒載。如采用YJK建模計算時，可以通過點選“樓層組裝”—“必要參數(shù)”—勾選“現(xiàn)澆樓板自重扣除與梁墻重疊部分”。以及可以通過點選“前處理及計算”—“計算參數(shù)”—“計算控制信息”—勾選“梁墻自重扣除與柱重疊部分”。采用此方法將減少結(jié)構(gòu)自重和質(zhì)量，并相應(yīng)減少地震剪力和位移等。

3.4 提高構(gòu)件混凝土強度

在相同條件下，鋼筋混凝土深受彎構(gòu)件受剪承載力會隨著混凝土強度的提高而增大。如采用YJK建模計算時，可通過點選“構(gòu)件布置”—“材料”—“材料強度”僅對截面不足及計算配筋超筋的梁混凝土等級進行提高。

值得注意的是，高強混凝土構(gòu)件的剪切裂縫界面比較光滑，這導(dǎo)致界面間剪力傳遞減弱，從而使深梁抗剪承載力與混凝土強度關(guān)系不是一成不變的。

3.5 采用集中對角斜筋或?qū)前祿闻浣?/p>

對于軌道交通結(jié)構(gòu)中的深受彎構(gòu)件，當(dāng)配筋超筋時也可以參考剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁做法，按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2010）11.7.10條，采用集中對角斜筋配筋或?qū)前祿闻浣畹淖龇?，減少縱筋數(shù)量滿足最大配筋率。同時，此方法對梁的剛度只進行了有限折減或者不折減，使深受彎構(gòu)件發(fā)生剪切破壞時，達到地震作用的延性需求。

在YJK計算軟件中，可以通過點選“前處理及計算”選項卡下“特殊梁”中的“交叉配筋”與“對角暗撐”，對個別梁進行特殊定義。該工程中，由于蓋梁需要配置三排預(yù)應(yīng)力鋼筋，不具備空間排布斜向鋼筋。

3.6 用“雙連梁”等效替代

“雙連梁”是指在連梁中部以水平裂縫隔開的上、下兩根連梁，參照此種方法，可將深受彎構(gòu)件等效成截面相同的兩根梁，其截面的抗剪承載力雖然沒有改變，但可以增大其實際抗彎承載力，是一種行之有效的解決深受彎構(gòu)件超筋問題的特殊手段。

設(shè)計時，通常按照抗剪截面面積相等的原則進行簡單等效，等效梁的寬度與原梁寬度相同，高度為原梁高度的一半。這種分別設(shè)置在水平縫上與下的組合連梁，與兩根同截面連梁并排設(shè)置是不同的。前者的實際抗彎能力比后者有明顯提高，其主要原因是上、下設(shè)置的連梁承擔(dān)著附加軸力，軸力形成的內(nèi)力偶對外力起平衡作用[2]。

除普通鋼筋混凝土雙連梁外，還可以內(nèi)置鋼板和纖維材。根據(jù)其他學(xué)者的試驗研究，加入鋼板的鋼板—混凝土雙連梁試件在峰值點處的承載力相對普通鋼筋混凝土雙連梁提高將近1.56倍，而鋼板—纖維增強混凝土組合雙連梁試件的累積耗能是普通鋼筋混凝土雙連梁的5.26倍，其承載能力、變形能力和塑性耗能更勝一籌[3]。

該工程中，也對比了采用“雙連梁”的布置方案，超筋問題確實得到了解決，但鑒于高架站蓋梁是外露結(jié)構(gòu)構(gòu)件，由于改變外觀較多，最終未采用該方法。

3.7 內(nèi)置型鋼鋼骨

在普通的鋼筋混凝土深受彎構(gòu)件中，可以通過內(nèi)置型鋼鋼骨來有效滿足抗剪需求。采用此方法時應(yīng)注意，內(nèi)置型鋼鋼骨同時會使得深受彎構(gòu)件的抗彎強度大幅增高，剛度增大使得構(gòu)件變形減小，影響構(gòu)件的破壞形態(tài)及整體結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，因此對結(jié)構(gòu)塑性耗能構(gòu)件使用內(nèi)置鋼骨的方法解決抗剪問題，會使得罕遇地震下的破壞程度降低，彈塑性耗能減少，出現(xiàn)達不到性能目標(biāo)水準(zhǔn)、影響整體抗震性能的情況，應(yīng)謹(jǐn)慎使用[4]。

3.8 其他方法

除上述幾種方法外，解決深受彎構(gòu)件的抗剪截面和超筋問題，還可以通過減少平面外搭設(shè)次梁、避免樓板開洞（考慮樓板作為梁翼緣的有利作用）、次梁改為鉸接及利用主筋和腰筋抗剪等方法解決，在此不再贅述[5-11]。

4 總結(jié)

針對軌道工程高架站設(shè)計中經(jīng)常遇到的深受彎構(gòu)件受剪截面不足及計算超筋的問題，該文從工程經(jīng)驗和公式原理出發(fā)，總結(jié)歸納出增加構(gòu)件尺寸、優(yōu)化活荷載布置、優(yōu)化計算恒載、提高構(gòu)件混凝土強度、采用集中對角斜筋或?qū)前祿?、用“雙連梁”等效替代、內(nèi)置型鋼鋼骨及其他方法八個解決思路，并結(jié)合某實際工程，對其首層中跨蓋梁通過YJK計算軟件進行多次比對和嘗試。經(jīng)過對比，內(nèi)置型鋼鋼骨、減少荷載、提高尺寸和強度的思路效果最為明顯，但考慮到建筑使用功能和混凝土澆筑空間的制約，最終利用優(yōu)化活荷載布置、優(yōu)化計算恒載、提高混凝土強度、改變平面布置的方式解決了這一實際工程問題。

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