PKPM结构设计中铰接梁的探讨

 摘要 :铰接梁在工程中有着大量的应用。众多桥梁，厂房的吊车梁，过街楼或者过街走廊的机构中都会大量采用预制梁。本文针对PKPM结构设计中如何确定铰接梁的问题就个人观点做以阐述 　　

关键词: 结构设计 主梁 次梁 铰接梁 　　

1.引言 　　

在经济社会飞速发展的今天，速度成为整个社会的代名词。为了适应这种快速变化的形势，建筑领域的结构设计也进行了一些革新，PKPM结构设计软件在这种环境中应运而生。。一个好的结构设计关系到建筑的质量，关系到业主的切身利益，在建筑设计过程中有着举足轻重的作用。因此，结构设计工作者在追求速度的同时，要力求科学、联系实际、做到精益求精。下文针对目前PKPM结构设计中如何确定铰接梁的问题做如下探讨。

2.刚接与铰接的概念

混凝土框架梁之间连接的方式通常有刚接和铰接两种形式。刚接和铰接都是理想中的概念。刚接是指能传递竖向力和水平力，又能传递弯矩的构件相互连接方式，而铰接是指能传递竖向力和水平力而不能传递弯矩的构件相互连接方式。然而现实中梁的连接方式通常是介于两者之间的，一般情况下，能承受弯矩大连接方式就称为刚性，而受力过程中承受较小弯矩时就偏向于形成铰接。在柔性设计中，即使刚接的节点在地震力的作用下也会考虑钢筋屈服而形成“塑性铰”变成铰接节点，也就是原本的框架梁会变成类似简支梁，从而消耗地震力产生的破坏效果。在设计时，工程师需要根据工程的实际情况判断梁的约束情况、传递弯矩的大小，适当给定负弯矩筋的大小，以满足实际受力的需要。

3.混凝土结构设计中铰接梁的探讨 　　

铰接梁活动接头不完全连续，按照实际立柱的支承的数目, 分为单跨梁, 双跨梁或多跨铰接梁多种。PKPM SATWE软件对铰接梁没有隐含的定义，需用户指定。因此结构设计师需要根据工程的实际情况判定梁是铰接梁还是其它类型的梁，本文仅就混凝土结构设计中如何确定铰接梁的问题从以下四个方面做以探讨： 　　
3.1主梁直接支撑在框架柱或者主梁平行支撑在剪力墙上 　　
主梁是指将楼盖荷载传递到柱、墙上的梁。主梁不管是抗震的主梁或者是非抗震的主梁，其两端（或者一端）与竖向受力构件相连，因此主梁与竖向构件连接处必然传递弯矩。同时，在框架结构中框架柱截面比较大，一般可以满足框架梁支座负弯矩钢筋的锚固要求；在框剪或者剪力墙结构中，当主梁平行支撑在剪力墙上时，主梁也可以满足负弯矩钢筋的锚固要求。 因此，在这种情况下主梁与竖向构件属于刚接，不需要点铰。 　　
3.2主梁垂直支撑在剪力墙上 　　
当主梁垂直支撑在剪力墙上时，可以分为以下两种情况： 　　
3.2.1剪力墙比较厚（bw较大），剪力墙的厚度可以满足主梁负弯矩筋的锚固要求，则主梁与竖向构件的连接属于刚接； 　　
3.2.2剪力墙比较薄（bw较小） 　　
3.2.2.1当梁为单跨布置时，剪力墙的厚度不能满足主梁负弯矩筋的锚固要求，则主梁与竖向构件的连接可以认为属于铰接，在PKPM结构设计时可以点铰。 　　
3.2.2.2当梁为多夸连续布置时，连续梁的端支座处理办法同3.2.1，其中间支座负弯矩筋连续通过剪力墙，不存在锚固长度的问题，可以认为是刚接。 　　
注：以上剪力墙的薄厚均以bw的大小能否满足梁的负弯矩筋的锚固要求为标准 　　
3.3次梁（低一级次梁）支撑于主梁（高一级次梁）上 　　
次梁：将楼面荷载传递到主梁上的梁。为方便叙述，以下将次梁和低一级次梁统一称为次梁，主梁和高一级次梁统一称为主梁。 　　
当次梁支撑在主梁上时，可以分为以下三种情况： 　　
3.3.1主梁宽度比较大，可以满足次梁支座负弯矩筋的锚固要求，即负弯矩筋水平段的锚固长度不小于0.35倍的非抗震时受拉钢筋的基本锚固长度，总锚固长度不小于La，则次梁与主梁连接处可以认为是刚接。 　　
3.3.2主梁宽度比较小 　　
3.3.2.1当次梁为单跨布置时，主梁的宽度不能满足次梁支座负弯矩筋的锚固要求，则次梁在主梁连接处可以认为是铰接。 　　
3.3.2.2当次梁为多夸连续布置时，连续次梁的端支座处理办法同上面，其中间支座负弯矩筋连续通过主梁，不存在锚固长度的问题，可以认为是刚接。 　　
3.3.3虽然主梁的宽度可以满足次梁负弯矩筋的锚固要求，但因主梁的线刚度比次梁的线刚度大很多，此时线刚度大的主梁可视作线刚度小的次梁系的不动铰支座，则次梁与主梁连接处可以认为是铰接。 　　
注：以上主梁宽度的大小均以其否满足次梁的负弯矩筋的锚固要求为标准 　　
3.4井字梁 　　
井字梁：在同一平面内相互正交或斜交的梁所组成的结构构件。 当建筑物因功能需要而设计成大空间结构时，可以优先考虑井字梁结构楼盖。但井字梁设计时，井字梁的截面高度一般可取为1/16~1/20,而其周边支座梁截面一般比井字梁的截面高度高200以上，同时，宽度也比井字梁的大，此时，井字梁周边支座梁的刚度比井字梁本身大好多，例如：15mx10m的大空间需要布置井字梁楼盖，设计时井字梁截面取为300mmx550mm，其抗弯刚度为EI=Ex300x550x550x550/12，再乘以中梁的刚度放大系数2.0，则井字梁的实际抗弯刚度为EI=Ex300x550x550x550/6，边支座梁截面取为400mmx800mm，其抗弯刚度为EI=Ex400x800x800x800/12，再乘以边梁的刚度放大系数1.5，则井字梁的实际抗弯刚度为EI=Ex400x800x800x800/8，则边支座梁与井字梁线刚度之比为3.0。则井字梁与周边支座梁处可以认为是铰接，而且有些地方还将此要求写进了地方标准。 　　

4.软件设计时对铰接的处理 　　

4.1 梁的铰接处理 　　
在框剪结构中，连梁在结构中起着协调剪力墙和框架变形的作用，它在梁端承受很大的弯矩和剪力。由于跨度或荷载的原因，连梁在实际工程中往往有着很大的断面积,梁端承受的内力很大。这时候可以将连梁与剪力墙相连端的连接方式处理成铰接。经过处理后，结构整体刚度会降低, 自振周期会随之增大, 层间和整体之间的位移也会有一定程度的增大。这样处理后，能充分满足钢筋混凝土高层建筑在结构设计与施工规程中有关位移的规定。简化处理后，连梁与剪力墙之间的约束将会得到减弱,同时柱子在纵向承受的轴力将会变大。因此在处理前应充分分析连梁端部配筋,视情况决定是否采用铰接处理。 　　
4.2 次梁的铰接处理方式 　　
由于主梁对次梁的约束作用,当次梁的边支座为梁时,会在其梁梁端产生相应的负弯矩和一定程度的扭矩。当次梁靠近主梁支座时, 相应的主梁受到的扭矩会变得很大, 这样会导致配筋困难,梁截面也将很难满足相关规范的要求。这时候，我们可以将次梁梁端处理成铰接，从而减小主梁受到的扭矩。图 1 所示情况中, L- 2为单跨简支梁，支撑在 L- 1上,L- 3同样支撑于L- 1上, L- 1 和 L- 2、L- 3 之间相互支撑发生作用。分析可以得知，AB 段会受到很大的扭矩。L-2、L- 3 与 L- 1 深入支座钢筋的锚固长度很容易在设计和施工中忽略。这时候可以人为地将 A、B点铰接处理。图 2中, L- 2 为单跨简支梁, L- 1 为两跨连续梁。它的弯矩图为图 3, M4 M2、M6> M3。L- 2 跨中增加了一个弹性支座，L- 1 按一跨悬挑梁设计。如果 L- 1 挑出长度较小，那么弯矩值会相差很大。但由于L- 1 的断面较小, 这将会增加 L- 1配筋的难度。这时候应该处理成铰接。 　　
第 2种情况中,次梁将在PM中不作为参加整体计算的项目输入。这样得到的计算结果还是比较理想的。第 1、3种情况最好能作为弯矩塑性连接处理。只有这样才会得到比较接近实际情况的计算模型。现有的三维整体计算软件对于三维空间非线性反应分析的研究的功能还比较薄弱。但随着计算机技术的不断发展，我们相信一定会出现一种更加理想的、更加贴合实际的计算模型的计算程序。 　　

5.结束语

本文就四个方面对PKPM结构设计过程中经常遇到的次梁点铰问题进行了探讨。当然，铰接处理只是一种结构计算时的一种简化处理方法，在实际工程中纯铰接的连接是不存在的，所以在结构设计时，还要根据工程的实际情况在次梁的支座处增设负弯矩筋，同时也要满足最小配筋率的要求。但并不是增设的负弯矩筋越大越好，因为次梁的负弯矩，亦就是次梁传递给主梁的扭矩，如果次梁的负弯矩筋配大了，那么在次梁还没有破坏的情况下，主梁有可能被扭转破坏。一般情况下，经过铰接处理的次梁按照最小配筋率配置负弯矩筋基本能满足要求，个别特殊的次梁，比如次梁与主梁的连接介于铰接和刚接之间、即半刚接，那么次梁的负弯矩筋需要适当加大。

参考文献： 　　
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[6] 《PKPM08 SATWE S-3 多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）》 　　
[7] 《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图（现浇混凝土框架、剪力墙、框架剪力墙、框支剪力墙结构）》11G101-1