混凝土框架梁截面设计及优化的几点建议

柴迎春

(怀化市建筑设计研究院有限公司，湖南 怀化 418000)

混凝土框架梁是混凝土结构设计过程中常遇的一种结构构件，其截面设计和配筋验算是每个结构工程师必做的一项工作，然而，目前多数设计师并没有对其进行深入研究，或者说绝大部分设计师并不具备混凝土框架梁结构设计专业能力，进而阻碍了混凝土框架梁结构设计进一步发展。不可否认，由于我国在建筑设计方面起步较晚，设计师无论是在设计经验，还是专业知识方面都有所欠缺，其设计成果往往达不到理想要求，并且在设计过程中还会经常出现诸多实际问题。针对以上内容，现将本人在图纸审核时发现的几个共性问题整理出来，提出一些看法和处理建议。

1 框架梁截面应按钢筋混凝土双筋梁进行验算

现行大部分结构设计软件为了编程和出图方便，对混凝土梁一般按照矩形单筋梁进行截面设计，其不论从计算合理性、设计经济性以及实现“强剪弱弯、强柱弱梁”抗震性能要求等方面来说都有值得商榷之处。

(1)从安全性角度分析。框架梁截面应按钢筋混凝土双筋梁进行可靠性验算。由规范[1]写出钢筋混凝土梁计算公式如下。

(1)

(2)

以上两式可以同时满足平衡条件和屈服条件，其理论依据就是塑性力学的下限定理，因为依据这一理论确定的截面内力分布状态可以满足力学平衡条件以及强度屈服条件， 满足这一条件的解非唯一，承载力大小随受压钢筋和受拉钢筋不同配置比例而变化，但都是极限理论的塑性下限解，从安全性角度来说有保障。 因此，梁采用双筋梁模式考虑受压区钢筋受力作用有理论依据，其安全性能够得到保障，且更加合理。

(2)从经济性角度分析。钢筋混凝土框架梁由于抗震设计需要，无论是梁顶面或者底面均需配置一定数量的贯通钢筋，因此，无论是设计支座截面受拉钢筋或者梁跨中截面受拉钢筋，其受压区都会存在一定数量钢筋。由式(1)、(2)可知，由于受压钢筋的存在，计算结果所得受拉钢筋会小于不考虑受压钢筋作用情况，因此，按双筋梁设计，总体上配筋会小于按单筋梁设计配筋，截面设计结果更经济。

(3)从实现结构抗震性能方面分析。众所周知，规范[2]为了实现“强剪弱弯、强柱弱梁”抗震性能要求，除了一级抗震等级框架结构采用构件实配钢筋进行性能验算外，其它都是采用在梁端弯矩之和乘以放大系数的方式来增大梁端剪力或者增大柱子截面设计弯矩来实现这一目标，梁如果采用单筋截面计算，其实配钢筋势必会比计算所需钢筋增大不少，这无疑会增大梁的实际受弯承载能力，可能导致梁端设计受剪承载力小于按钢筋实配计算的受剪承载力，或者柱端设计受弯承载力小于按实配钢筋计算的受弯承载力情况，无法实现“强剪弱弯、强柱弱梁”的抗震性能目标。因此，对于混凝土框架梁来说，在能够满足正截面受弯承载力要求时，其支座截面下筋(跨中正筋)和上筋(负筋)配置越少，框架梁、柱以及梁柱节点的剪力设计值也会相应越小，这对于结构抗震非常有利，其抗震设防目标越易实现。

结构工程师掌握了钢筋混凝土双筋梁设计理论后， 就可以在实际工程设计工作中适时应用这一理论。实际工程框架梁上部受力钢筋和下部受力钢筋都有部分贯通钢筋， 在梁正截面受弯承载力设计时，应当利用这部分贯通钢筋，如此能够减少框架梁上部受力钢筋和下部受力钢筋地使用， 这样不但可以降低建筑结构造价，而且可以提高框架梁、柱和节点的抗震性能。这种减少框架梁纵筋量的技术措施，不会以降低梁正截面受弯承载力为代价，而是充分发挥框架梁本身内在受力潜力，因此梁的承载力仍有相当能效保证。

2 框架梁纵向钢筋应满足直段锚固长度要求

部分设计师设计梁时，当梁的纵向钢筋不能采用直锚方式满足锚固要求时，通常会采用弯锚方式来解决问题，但其弯折前水平投影长度很小，不满足规范要求，设计只要求总锚固长度符合要求即可。这种做法并不合适。

规范[1]规定，混凝土框架梁上部纵向钢筋及下部纵向钢筋，当框架柱截面尺寸不满足钢筋直锚长度时，锚固段纵向受力钢筋应伸至节点对边并向下或者向上弯折15倍纵筋直径，弯折前的钢筋直锚段长度不应小于0.4la或0.4laE。有关试验表明，钢筋锚固端的锚固能力是由水平段粘结能力和弯弧与垂直段弯折锚固作用组成，且在静力作用下，水平段粘结能力起主要作用。当水平段投影长度大于等于基本锚固长度0.4倍时，垂直段长度不小于15纵筋直径时，基本能够保证梁端的锚固，此时不必满足总锚固长度大于等于受拉钢筋总直线锚固长度要求。

3 框架梁纵向支座钢筋可部分布置于翼缘板中

设计框架梁时，有时支座弯矩较大，梁截面较小，导致受力纵向钢筋数量较多，需要布置两排甚至三、四排才能将钢筋布下。这种布筋方式理论上可行，但是会导致下面几排钢筋离梁中和轴很近，难以发挥承载效率，事实上并不合理。有关资料表明，可将现浇混凝土梁两侧楼板中一部分作为梁翼缘板(翼缘板宽度可取4～6倍板厚)，将部分纵向钢筋布与翼缘板内，以减少钢筋布置排数，提高钢筋利用率。为保证梁钢筋在节点有可靠锚固，在翼缘中布筋建议不超出柱宽范围。

4 框架梁箍筋非加密区配箍应注意优化

钢筋混凝土构件中的梁箍筋主要功能：一是承担剪(扭)力；二是形成钢筋骨架；三是对构件混凝土进行约束。工程设计人员往往特别关注加密区设计要求，比如箍筋最小直径、梁箍筋肢距、加密区箍筋最大间距等，而忽视了箍筋非加密区的优化设计，造成了较大浪费。

现举例说明：某框架梁，抗震等级为三级，截面为800×1 000，混凝土强度等级为C40，箍筋为Φ10@100/200(6)。现围绕箍筋构造来讨论。

(1)本例加密区以外的箍筋肢距为(800-50)/5=150。根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)第11.3.8条，三级抗震等级梁加密区箍筋肢距不宜大于250mm和20d(箍筋直径)的较大值，而对于梁箍筋非加密区，规范[1]对箍筋肢距并无要求，所以只要满足三级抗震等级面积配筋率要求即可，而沿梁全长箍筋面积配箍率：ρsv=0.26f1/fyv=0.148%。

如果非加密区箍筋直径不变，由6肢改为4肢(并不会影响骨架形成)，此时ρsv=314/(800×200)=0.196%>0.148%，完全满足规范要求，可以节省箍筋约19%。

(2)如果进一步将非加密区箍筋改为2肢Φ8和2Φ10，仍能满足全梁配箍率要求(ρsv=Asv/bs=258/(800×200)=0.161%>0.148%)，可以节省箍筋约23%，且对骨架支撑不会产生太大影响。

由以上分析可知，梁箍筋非加密区箍筋肢数及直径都有可能与加密区不一致，不应仅将加密区箍筋间距加大，而其它如肢数、直径都与加密区一样的配箍方式进行配箍，这样会造成极大浪费。

5 框架梁侧面腰筋不宜随梁宽增大而无限制增大

规范[1]指出：“当梁的腹板高度不小于450mm时，梁两侧应沿梁高方向配置一定数量纵向构造筋，每侧纵向构造筋截面面积不应小于梁腹截面面积的0.1%，且其间距宜小于200mm。”

依据如上规定，梁侧面构造筋的配筋量与梁的宽度成线性关系，宽度越大配筋量就越大，这在梁宽很大时会得到很不合理的结果。文献[3]研究可知：梁的侧面构造筋只对梁腹板两侧面的一个很小范混凝土窄条产生约束作用，而与梁腹整体宽度无直接关系，沿梁侧面设置的构造纵筋对梁另一个侧面裂缝宽度没有明显作用。文献[3]依据相关试验研究结果，认为受纵向构造筋影响的混凝土窄条宽度为从梁构造筋中心到梁外缘宽度的2倍，且不超过混凝土梁截面宽度一半，并将梁一侧的构造纵筋截面面积与该侧面混凝土窄条截面面积的比值定义为构造筋配筋率ρsk。

(3)

式中：为构造筋面积，2c+db为受构造筋影响的混凝土窄条宽度，不能大于梁腹板宽度的1/2，dsk为构造筋中对中的距离。

由上述式(3)知，以构造筋配筋率来设置腰筋，就不会出现构造筋配筋量随梁宽增大而无限制增大的情况，则腰筋设置相对合理很多。文献[3]试验结果还表明，在梁每一个侧面靠近主筋大约5/8受拉区高度范围内配置4根构造筋比较合适。

6 框架梁高跨比较小时梁宽度不必很宽；梁高跨比较大时梁宽度不应过窄

以往规定，框架主梁截面高度为计算跨度的1/8～1/12，此规定已完全不能满足近年来所大量兴建高层建筑对于降低层高之要求，因此工程中出现了很多高跨比较小的框架梁，工程师担心梁刚度不够而加大了梁宽度，不少工程中出现了宽扁梁。宽扁梁的特点是梁宽比梁高大得多，例如截面为900mm×500mm，1 200mm×600mm等， 此种截面导致梁自重变大，楼板混凝土折合厚度增加，结构自重也明显加大，而且还会带来梁柱节点区的构造困难问题。大多数情况下，梁的宽度不必如此之大。造成梁宽过大的主要原因是有些设计师担心梁高减小后梁刚度会不够，因而以加大梁宽度来弥补。实际上，现浇T形梁刚度主要依靠梁翼缘，梁腹宽度对梁刚度贡献相对较小。对于一般钢筋混凝土建筑楼盖，非预应力钢筋混凝土现浇T形梁高度，如取跨度的1/15～1/18，刚度一般没有问题。大量工程实践证明：如果梁高取跨度的1/15左右，在荷载和跨度不太大的情况下，宽度取400mm～500mm，足够满足一般建筑楼盖要求，不必人为将梁宽度过分加大，甚至加大到比柱宽还大的宽扁梁。

另一方面，由于构造要求或其他原因，框架梁截面高度取得较大，设计师按受力计算，框架梁宽度取得很小也能满足计算要求，因此梁宽度取得很窄(如梁宽小于200)也不合理。框架梁是框架和框架结构在地震作用下的主要耗能构件，因此，梁的塑性铰区应保证有足够延性。影响梁延性的诸多因素有梁的剪跨比、截面剪压比、截面配筋率、压区高度比和配筋率等。在地震作用下，梁端塑性铰区保护层容易脱落，如梁截面宽度过小，则截面损失比例较大，狭而高的梁截面不利于节点混凝土约束，为了改善其性能，可适当加宽梁截面，以降低梁截面的剪压比，并采取有效配筋方式，如设置交叉斜筋或沿梁全长加密箍筋及增设水平腰筋等。

7 结 语

鉴于以上几点分析，笔者对框架梁设计有如下几点建议。

(1)框架梁截面计算应该按照双筋梁计算模式进行，这样在保证安全的前提下，提高结构抗震性能同时减少了钢材用量。

(2)梁支座纵向钢筋不宜布置过多排数，钢筋数量较多时，可将部分钢筋布于翼缘板中，并且注意钢筋的锚固要求应满足水平段投影长度不小于0.4la或0.4laE。

(3)框架梁箍筋在非加密区布置要求可以放松，其箍筋肢数和箍筋直径可与箍筋加密区不同。

(4)梁腰筋仅对梁腹两侧面中一个混凝土窄条产生影响，而与梁腹宽无关。按规范公式设计梁腰筋可能得到不合理结果，而按文献[3]提供的方法可解决规范公式遇到的困难，建议规范参照此要求对相关条文进行修订。

(5)框架梁宽度过大会增加结构自重，当宽度超过柱子宽度时，还会增加梁柱节点处理难度，不利于抗震；梁截面宽度过小，在地震作用下截面损失比例较大，狭而高的梁截面不利于节点混凝土的约束。