一端为柱一端为梁的框架梁对结构体系的分析影响

凌江

【摘要】近年实际工程中，特别是住宅出现了很多框架梁一端为柱一端为梁的情况，本文主要以实际工程为例结合计算软件分析框架梁中一端为柱一端为梁的情况对整体结构的影响，并对此给出建议。

【关键词】框架梁；一端为柱一端为梁；结构体系

引言

随着人们对住宅产品的要求越来越高，户型的变化对结构布置甚至结构体系的要求也越来越高。同时开发商对结构的经济造价也提出了较高的要求。在这样背景下，结构布置中难免出现了个别框架梁一端为柱（墙）一端为梁的情况。本文以实际工程为例分析这种情况对整体结构的影响。

1. 工程简介：

实际工程为多层住宅，建筑高度20.9米，7层。抗震设防类别丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本加速度为0.15g，设计地震分组为第一组，场地土类别II类。50年重现期风荷载0.45kN/m2，基本雪压0.35kN/m2。

图1.结构标准层平面布置图

结构设计考虑建筑布置及造价采用异形柱框剪结构，在结合建筑布置中则出现框架梁一端为柱一端为梁的情况，如图1结构标准层平面布置图中在建筑1-C轴、1-D轴X向框架梁框架梁属于一端为柱一端为梁情况，1-27轴、1-37轴、1-28轴、1-36轴Y向也属于一端为柱一端为梁情况。

2. 计算软件选择及模型验证：

对于一端为柱一端为梁的框架梁直接影响的就是结构框架不能形成有效的抗侧力体系。结构计算软件能不能准确反映出一端为柱一端为梁的对结构刚度带来的影响至关重要。分析验证计算软件采用PKPM-SATWE，以单层框架的结构为例。结构布置图详图3。

图2.计算对比模型结构布置图

（左为框架一，右为框架二）

图2中框架一为梁柱对齐框架结构，框架二则模拟一端为梁一端为柱的情况。计算分析主要参数框架一前三周期为0.6561（X）、0.6561（Y）、0.6242（扭转），地震力作用下Y向最大层间位移角1/1996；框架二前三周期为0.8255（Y）、0.6516（X）、0.5965（扭转），地震力作用下Y向最大层间位移角1/1228。

由数值可以看出，当改变框架位置，产生一端为梁，一端为柱情况后，从地震力作用下最大值层间位移角可以看出框架二的Y向的刚度大幅降低，只有框架一的62%，且框架二的第一周期为Y向的平动，周期值较大也意味着Y向刚度减小。

由此可看出，PKPM-SATWE计算软件对于框架一端为梁，一端为柱的情况可以准确的计算出其理论刚度；计算结果指标能准确反应结构布置的实际情况。

3. 国家规范对结构体系的基本要求：

一端为柱一端为梁的框架梁对结构刚度布置、有效传递水平力均较差，并间接影响结构体系。在全国民用建筑工程设计技术措施[1]（结构部分）针对于结构体系有如下要求及描述：（摘录）

1. 应能制定出明确的、当前计算手段能解决的平面或空间计算简图。

2. 应具有合理的、直接的或基本直接的传力途径。

3. 应具有足够的侧向刚度、较强的水平承载力、良好的变形能力、能吸收和耗散较多的地震输入能量。

逐条对应以上要求，对于存在一端为柱一端为梁的结构体系来说要做到以下几点：

1. 所采用的计算软件应能分析清楚一端为柱一端为梁对结构体系带来的影响。

2. 结构平面布置中应沿建筑周边外墙、楼梯间等重要区域设置一一对应的墙柱，形成主要、直接的传力途径，局部由于住宅建筑功能或建筑立面的原因设置了一端为柱一端为梁不能影响整体结构传力。

3. 保证结构体系中主要的墙柱形成的框架有足够的刚度，较强的水平承载力、良好的变形能力。对于一端为柱一端为梁的框架梁应保证在偶遇地震或罕遇地震下当其产生较大的塑性变形刚度退化较大时，主要的抗侧力体系仍能有效的工作并完成抗震性能目标。

4. 实际工程计算分析：

计算分析采用PKPM-STAWE结果。针对结构布置是否能有效地传递水平力，读取结构标准层（3层位置）Y向地震工况下的框架弯矩图。见图3：

图3.结构3層Y向地震工况下框架梁弯矩图

可以看出框架中一端为柱一端梁的情况存在，但仅是少数位置，而且这部分框架所分配的水平地震力不大，大部分水平地震力由主要抗侧力单元（即两端均为柱或墙的框架梁）承担。

一端为柱一端为梁的框架在承受地震作用下虽能承受一定的水平力，但因为其构造特点，在偶遇地震或罕遇地震下一端为梁的节点区域并不能形成有效的约束，易产生较大的塑性变形刚度退化，从而形成塑性铰，形成塑性铰后其刚度及传递水平力的性能大为降低。

为方便对比验算，将原有模型中所有一端为柱一端梁两端均设置为铰接，简化模拟可能产生塑性铰引起的刚度退化，设置铰接前后整体结构的计算参数结果见表2。

由表1可知当将一端为梁、一端为柱的框架梁两端铰接时整体结构指标均能满足规范要求。将一端为梁一端为柱的框架梁两端设置为铰接时，结构刚度略为减小，整栋楼的周期略有增加。

由此可见，这一部分一端为梁一端为柱的框架梁对结构整体抗震能力的影响很小，这说明主要的抗侧力单元在结构中发挥了决定性的作用。

表1：设置铰接前后整体结构的计算参数表

初始模型

设置两端铰接模型

周

期

T1

0.8114

（X向）

0.8304

（X向）

T2

0.6839

（Y向）

0.7452

（Y向）

T3

0.5189

（扭转）

0.5626

（扭转）

周期比 T3/T1

0.6395

0.6775

地震力作用下的楼层最大位移

X

1/1051

1/1001

Y

1/1291

1/1179

地震力作用的楼层最大位移比

X-5%

1.11

1.09

X+5%

1.10

1.13

Y-5%

1.12

1.13

Y+5%

1.12

1.12

地震作用下最大楼层剪力

X

1094.0 KN

1067.8 KN

Y

1265.8 KN

1165.0 KN

设置两端铰接后读取结构3层Y向地震工况下框架梁弯矩图。当一端为梁一端为柱框架梁在其两端设置铰接后，完全不参与地震水平力的弯矩分配，而主要抗侧力单元的框架上弯矩有所增加。边框架主要抗侧力单元在Y向地震作用下端部弯矩由 134.7 kN·m 增加至 144.9 kN·m ，增幅为7.6%；中部在Y向地震作用下端部弯矩由 78.9 kN·m 增加至 89.6 kN·m，增幅为13.6%。梁配筋信息中，边框架上部截面配筋控制弯矩由228.8 kN·m增加至 246.9 kN·m，增幅为7.9%，配筋需要面积由13cm2增加到14 cm2；中间框架下部截面配筋控制弯矩由160.9 kN·m增加至 177.6 kN·m，增幅为10.0%，配筋需要面积由8cm2增加到9 cm2。

设置铰接后地震作用水平力基本不变，说明主要结构抗侧力单元刚度变化小。因设置铰后，一端为梁一端为柱框架梁不承担地震作用水平力，主要抗侧力体系的弯矩及配筋均有增加。

5. 罕遇地震静力弹塑性计算：

分析存在一端为柱一端为梁的框架梁结构体系在结构弹塑性分析过程中结构性能及塑性铰出现规律。

采用PKPM中弹塑性静力分析[2]，分析方法为推覆沿着互相垂直的X、Y方向分两次进行，每个方向的加载过程分两大步，第一步先施加竖向的静力荷载，第二步是施加侧推荷载。静力荷载和侧推荷载均采用step-by-step的非线性分析。

构件的配筋直接读取SATWE的分析配筋结果，然后乘以全楼钢筋缩放系数1.1计算。材料的强度选取标准值。杆件铰的判别条件为：截面刚度退化为初始截面刚度的70%时认为出现塑性铰。

根据抗震规范，罕遇地震的地震影响系数取0.72，Tg=0.60秒。初始弹性状态下结构阻尼比为0.05，程序对需求谱曲线考虑附加阻尼折减，即考虑了结构弹塑性较大時阻尼比的增大。

由能力-需求谱曲线可以看出，在罕遇地震作用下，结构的最大层间位移角为 1/148（X向）、1/174（Y向），满足规范1/100的要求。此时，结构三层以下的部分连梁位置产生部分弯矩铰，二层以下少量剪力墙产生轻微裂缝，结构无明显薄弱层。局部一端为柱一端为梁的框架梁在弹塑性验算下受力不大，基本未产生塑性铰。

6. 结论：

1. PKPM-SATWE结构计算软件能准确的模拟一端为柱一端为梁的结构。

2. 结构体系布置中，应设置有两端均为柱或墙的主要抗侧力体系。

3. 从上述计算结构可以得出，结构体系中存在少量的一端为柱一端为梁的框架梁是可行的，但主要的抗侧力体系一定要能满足结构所需刚度及承受水平力的能力，并且在设计配筋过程中要考虑到适当加大配筋，提高结构的整体延性。

参考文献：

[1]全国民用建筑工程设计技术措施：结构（混凝土结构）（2012年版）

[2] PKPM2010 PUSH & EPDA多层及高层建筑结构弹塑性静力、动力分析软件用户手册