孫立春 林旭川

1.鄭州市建筑設(shè)計(jì)院 450007

2.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所 哈爾濱150080

引言

隨著人們對(duì)建筑功能要求越來(lái)越多，建筑中的通風(fēng)、空調(diào)、熱水以及上下水管道越來(lái)越復(fù)雜。這些管道通常在梁底穿行，這就增加了樓層的高度，如果設(shè)備管線能從梁中穿洞而過(guò)，使結(jié)構(gòu)高度和管道高度合二為一［1］，則可以增加使用空間，降低工程造價(jià)，獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，提升建筑空間品質(zhì)。

在實(shí)際工程中，設(shè)備管道往往布置在框架梁端緊貼柱根處，而該位置多為塑性鉸區(qū)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)梁在該區(qū)域開(kāi)洞有所限制［2］。因?yàn)樵谠搮^(qū)域增加孔洞，將使梁的有效截面減少，降低梁的承載力和塑性鉸區(qū)的耗能能力，影響整體結(jié)構(gòu)的抗震安全性和洞口周?chē)木植糠€(wěn)定性，并帶來(lái)相應(yīng)的構(gòu)造問(wèn)題。目前針對(duì)混凝土開(kāi)洞梁的研究未能反映出結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)，且理論研究較多，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用細(xì)節(jié)缺乏探討，若處理不當(dāng)，易引發(fā)工程事故，降低結(jié)構(gòu)的可靠度［3］。

本文以某剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅項(xiàng)目中塑性鉸區(qū)開(kāi)洞梁的應(yīng)用為背景，針對(duì)具體加強(qiáng)措施進(jìn)行了有限元仿真分析，結(jié)果表明采取恰當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施后能夠保證梁的安全性，并在該項(xiàng)目施工中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，為塑性鉸區(qū)穿洞梁的應(yīng)用提供了參考。

1 開(kāi)洞梁的設(shè)計(jì)與有限元模型

1.1 原型結(jié)構(gòu)開(kāi)洞梁構(gòu)造措施

在某剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅項(xiàng)目中，為控制樓層凈高，采用在框架梁塑性鉸區(qū)進(jìn)行設(shè)備管道穿梁的方案，針對(duì)該方案的特殊性，采取了如下加強(qiáng)措施［4］，如圖1所示：（1）在開(kāi)洞梁兩側(cè)設(shè)置了斜腋，以增強(qiáng)上部弦桿的抗彎抗剪性能；（2）在上下弦桿及洞口之間的腹桿處設(shè)置密箍以增強(qiáng)抗剪性能，并設(shè)置斜筋以加強(qiáng)腹桿的撐桿作用，保證梁的整體性能；（3）設(shè)置鋼套管，加強(qiáng)與混凝土的界面連接，保證鋼套管等效剛度大于削弱的混凝土。

圖1 開(kāi)洞梁具體構(gòu)造詳圖Fig.1 Detail drawing of the beam with openings

1.2 梁端加載

塑性鉸主要是保證梁在中震時(shí)梁的耗能能力，以實(shí)現(xiàn)“中震可修”的性能目標(biāo)。運(yùn)用PKPM軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了小震彈性和中震不屈服分析，得到開(kāi)洞梁端最大彎矩為471kN·m，最大剪力為287kN。運(yùn)用MSC.MARC非線性有限元軟件對(duì)塑性鉸區(qū)開(kāi)洞梁進(jìn)行分析，考慮到開(kāi)洞較多，為了對(duì)構(gòu)件承載力與破壞情況進(jìn)行分析，選取抗彎為主與抗剪為主兩種加載方式，并分別對(duì)梁受彎（受剪）的不同方向進(jìn)行加載分析。

1.3 有限元模型的建立

混凝土開(kāi)洞梁模型由混凝土、鋼套管、鋼筋和彈性墻體四部分組成?；炷翉?qiáng)度等級(jí)C30，鋼筋采用HRB400熱軋帶肋鋼筋，鋼套管采用Q235B鋼材。

混凝土采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建模，賦彈塑性-斷裂材料本構(gòu)屬性，混凝土的開(kāi)裂采用彌散裂縫模型進(jìn)行仿真模擬，強(qiáng)度超過(guò)壓潰應(yīng)變后即為失效［5］；鋼套管采用厚殼單元，考慮鋼材的屈服與強(qiáng)化，采用隨動(dòng)強(qiáng)化與von Mises屈服面；鋼筋采用桿單元，材料本構(gòu)與鋼套管的彈塑性本構(gòu)一致。鋼筋模型建立后，通過(guò)Inserts功能將整個(gè)鋼筋籠嵌入到混凝土實(shí)體模型中，實(shí)現(xiàn)鋼筋籠與混凝土的共同工作；為使高層混凝土開(kāi)洞梁具備合理的邊界條件，在鋼筋混凝土開(kāi)洞梁端部，增加一段200mm厚的墻體，并將其節(jié)點(diǎn)固定。

在建模過(guò)程中，圓鋼管與混凝土采用節(jié)點(diǎn)耦合的形式進(jìn)行連接，假定二者可以較好地進(jìn)行共同作用。因此，實(shí)際工程中圓鋼管與混凝土之間需要采取足夠的抗剪、抗拉的連接措施。具體荷載采用PKPM計(jì)算的剪力、彎矩值。開(kāi)洞梁模型如圖2所示。

圖2 開(kāi)洞梁模型Fig.2 Model of opening holes beam

2 開(kāi)洞梁抗彎性能分析

混凝土開(kāi)洞梁在負(fù)彎矩與剪力共同作用下，當(dāng)剪跨比為3.0時(shí)，該梁由受彎承載力控制，跟實(shí)際工作狀態(tài)較貼近。在梁端施加正負(fù)兩個(gè)方向的豎向位移，可得到梁端彎矩與加載位移的關(guān)系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，正彎矩屈服承載力略高于負(fù)彎矩屈服承載力，且屈服值均在800kN·m以上，明顯高于設(shè)計(jì)彎矩包絡(luò)值471kN·m，即該混凝土梁開(kāi)洞后彎矩滿足設(shè)計(jì)要求，在達(dá)到中震不屈服設(shè)計(jì)荷載時(shí)還具有很好的承載能力儲(chǔ)備。

圖3 梁端彎矩-加載位移關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve of bending moment and load deflection

2.1 開(kāi)裂和屈服分析

在該混凝土開(kāi)洞梁上施加向下3mm、10mm、60mm豎向位移Δ，3mm時(shí)構(gòu)件初始開(kāi)裂，10mm時(shí)構(gòu)件屈服開(kāi)裂，60mm時(shí)構(gòu)件接近極限狀態(tài)，不同幅值下的混凝土的開(kāi)裂情況如圖4所示。

圖4 受彎構(gòu)件開(kāi)裂情況Fig.4 Cracking of flexural members

由圖4可知，開(kāi)洞梁的混凝土在該加載模式下，開(kāi)裂以受彎裂縫為主，根據(jù)開(kāi)裂應(yīng)變估計(jì)的裂縫寬度如下：（1）最大彎矩包絡(luò)值作用下，最大裂縫寬度約0.23mm；（2）當(dāng)構(gòu)件屈服時(shí)，最大裂縫寬度約0.45mm。

2.2 鋼套管與鋼筋屈服情況

在該開(kāi)洞梁上施加向下15mm和60mm豎向位移Δ，15mm時(shí)構(gòu)件明顯屈服，60mm時(shí)構(gòu)件接近極限狀態(tài)，不同幅值下鋼套管與鋼筋屈服分布如圖5所示。

圖5 鋼筋屈服情況Fig.5 The rebar yielding status

由圖5可知鋼筋的屈服順序，首先是梁端上下側(cè)縱筋屈服，接著斜筋屈服，最后屈服進(jìn)一步擴(kuò)展到所有縱筋以及靠近梁端的斜筋上，屈服狀態(tài)也表明塑性鉸區(qū)仍然在梁端首先出現(xiàn)。

3 開(kāi)洞梁抗剪性能分析

開(kāi)洞梁在負(fù)彎矩與剪力共同作用下，剪跨比為1.5時(shí)，該梁承載力受剪力控制［6］。在梁端施加正負(fù)兩個(gè)方向的豎向位移，可得到梁端剪力與加載位移的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 剪力-加載位移關(guān)系曲線Fig.6 The relation curve of shearing force and load deflection

由圖6可知，在梁端分別施加向上和向下位移時(shí)，梁的開(kāi)裂、剛度與屈服強(qiáng)度相接近，即加載方向?qū)α旱募袅Τ休d力影響不大。該開(kāi)洞梁的實(shí)際抗剪承載力達(dá)到912kN，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值287kN，即該開(kāi)洞梁的抗剪能力滿足中震下的抗剪截面要求。

3.1 開(kāi)裂和屈服分析

在該開(kāi)洞梁上施加向下1mm、7.5mm和22.5mm豎向位移，1mm時(shí)構(gòu)件初始開(kāi)裂，7.5mm時(shí)構(gòu)件屈服開(kāi)裂，22.5mm時(shí)構(gòu)件接近極限狀態(tài)，不同幅值下混凝土的開(kāi)裂情況如圖7所示。

圖7 受剪構(gòu)件開(kāi)裂情況Fig.7 Cracking of shear members

由圖7可知，在該加載模式下，開(kāi)洞梁混凝土裂縫呈現(xiàn)明顯的剪切型特點(diǎn)，在屈服前，最大裂縫寬度小于受彎控制加載條件下的裂縫寬度，能夠滿足強(qiáng)剪弱彎的要求。

3.2 鋼套管與鋼筋屈服情況

在該混凝土開(kāi)洞梁上施加豎直向下15mm和22.5mm位移，15mm時(shí)構(gòu)件明顯屈服，22.5mm構(gòu)件進(jìn)入極限狀態(tài)，不同幅值下鋼管與鋼筋屈服分布如圖8所示。

圖8 鋼筋屈服情況Fig.8 The rebar yielding status

由圖8可知，在剪力作用下，梁首先在梁端縱筋處屈服，接著在各個(gè)斜筋處屈服，同時(shí)鋼套管也有少量屈服。

4 開(kāi)洞梁加強(qiáng)措施參數(shù)分析

4.1 斜筋的加強(qiáng)作用

針對(duì)開(kāi)洞梁中斜筋、鋼套管的作用情況，圖9分別給出了受彎為主與受剪為主兩種工況的系列荷載-位移關(guān)系曲線。

圖9 荷載-位移關(guān)系曲線Fig.9 The relation curve of load and deflection

通過(guò)圖9的對(duì)比分析可知，斜筋的作用與影響如下：（1）在混凝土開(kāi)裂前，斜筋的影響不大；（2）混凝土開(kāi)裂后，斜筋對(duì)抗彎剛度影響較小，對(duì)抗剪剛度有一定影響（圖9a），無(wú)斜筋開(kāi)洞梁剛度明顯低于有斜筋的開(kāi)洞梁（圖9b）；（3）斜筋對(duì)承載力有適量影響，對(duì)屈服承載力的影響較?。▓D9a）。對(duì)抗剪承載力的影響稍大一些，無(wú)斜筋時(shí)，當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)屈服后，構(gòu)件強(qiáng)度仍然會(huì)增長(zhǎng)，但延性下降，一定變形之后出現(xiàn)強(qiáng)度下降；（4）圖9b中抗剪屈服強(qiáng)度約900kN，如保守地將其作為構(gòu)件極限抗剪承載力，滿足高層開(kāi)洞梁的抗剪承載力要求；而抗彎控制時(shí)（圖9a）屈服彎矩可達(dá)800kN·m以上，其強(qiáng)度高于設(shè)計(jì)包絡(luò)彎矩最大值409kN·m，即抗彎承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 鋼套管的加強(qiáng)作用

圖9a與圖9b進(jìn)一步給出了無(wú)鋼套管與有鋼套管鋼筋混凝土梁的性能對(duì)比。圖中虛線為無(wú)斜筋也無(wú)鋼套管的荷載-位移曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，如果不設(shè)置鋼套管，抗彎強(qiáng)度將下降10%左右，而抗剪強(qiáng)度下降約25%。此外，不設(shè)置鋼套管時(shí)，不僅影響整體強(qiáng)度和剛度，還會(huì)導(dǎo)致孔洞周?chē)_(kāi)裂，如圖10所示。因此，鋼套管的作用比較明顯，既參與整體受力，也確保了開(kāi)洞附近局部的安全。

圖10 有無(wú)套管開(kāi)裂分布對(duì)比Fig.10 The cracking comparison of having drivepipe or not

4.3 斜腋的加強(qiáng)作用

為了研究斜腋對(duì)開(kāi)洞鋼筋混凝土梁的影響，圖11給出了有斜腋與無(wú)斜腋的梁之間的性能對(duì)比。

圖11 荷載-位移關(guān)系曲線Fig.11 The relation curve of load and deflection

由圖11可知，當(dāng)去掉斜腋混凝土與其內(nèi)部的縱向鋼筋、箍筋時(shí)，梁的剛度和承載力均明顯下降，對(duì)剪切承載力的影響達(dá)到有斜腋梁極限強(qiáng)度的三分之一。對(duì)于孔洞較大且偏向于上部或下部一側(cè)時(shí)，設(shè)置斜腋保證了足夠受壓區(qū)的強(qiáng)度，保證了截面的抗剪要求，延長(zhǎng)了塑性鉸區(qū)域，有效地彌補(bǔ)了由于開(kāi)洞造成的截面損失。

5 工程實(shí)際應(yīng)用情況

施工現(xiàn)場(chǎng)的鋼筋布置如圖12所示，由于開(kāi)洞梁中斜筋和箍筋加密的設(shè)置，使得鋼筋較密，對(duì)混凝土的澆筑產(chǎn)生了不利影響，為此建議增加箍筋的設(shè)置，取消了斜筋；并設(shè)置定位鋼筋與鋼套管焊接，以保證鋼套管定位準(zhǔn)確。最終現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝效果如圖13所示。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)鋼筋布置細(xì)節(jié)Fig.12 The reinforcement layout in site

圖13 管道穿梁效果Fig.13 The effect of pipeline through beam

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)高層建筑塑性鉸區(qū)開(kāi)洞梁力學(xué)性能的分析及工程實(shí)際應(yīng)用，得到如下結(jié)論與建議：

1.在采取有效的加強(qiáng)措施情況下，塑性鉸區(qū)開(kāi)洞梁的承載安全與變形能力可以得到保證。

2.斜腋是保證梁有效截面的重要措施，當(dāng)孔洞較大且偏向于上部或下部一側(cè)時(shí)，設(shè)置斜腋有效地保證了梁的抗剪承載力，延長(zhǎng)了塑性鉸區(qū)，有效提高了梁的耗能能力。

3.斜筋對(duì)梁的承載力影響較小，對(duì)增加梁的延性有益，在箍筋足夠的情況下，斜筋作用不明顯；實(shí)際工程中可以增加箍筋，減少斜筋配置。

4.鋼套管既參與整體受力，也可抵抗開(kāi)洞附近局部的破壞，鋼套管的剛度有效彌補(bǔ)了梁開(kāi)洞后對(duì)梁剛度的削弱，因此建議開(kāi)洞梁設(shè)置鋼套管，且需加強(qiáng)鋼套管與混凝土的界面連接，確保其與混凝土共同工作。

5.實(shí)際工程中梁開(kāi)洞區(qū)域鋼筋較密，節(jié)點(diǎn)施工困難，應(yīng)合理選用加強(qiáng)措施，優(yōu)化鋼筋配置，以利于施工質(zhì)量的保證。