獨立柱基之間設(shè)計中拉梁的作用及計算要點

　　摘要：本文通過一具體工程的設(shè)計，引述了地基拉梁的作用及計算要點。

　　關(guān)鍵詞：獨立柱基,系梁,拉梁,整體性,整體計算

　　作者在做海南洋浦技工學(xué)校實訓(xùn)樓工程時采用設(shè)拉梁層方法減少控制框架結(jié)構(gòu)計算位移角，既滿足了規(guī)范的要求，又做到了經(jīng)濟(jì)合理，符合實際。得到了業(yè)主方的認(rèn)可和好評�，F(xiàn)總結(jié)分析如下：

　　多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)首層層高較高，獨立基礎(chǔ)埋深又較深，抗震設(shè)計時樓層的彈性層間位移角常常難以滿足《抗震規(guī)范》5.5.1條的要求，當(dāng)不考慮設(shè)置少量剪力墻時，通�？梢圆捎孟铝腥�種措施的一種：

　　①加大框架結(jié)構(gòu)梁，柱截面尺寸，提高混凝土的強(qiáng)度等級。

　�、诳梢圆捎枚讨�基礎(chǔ)，使框架柱嵌固在基礎(chǔ)短柱頂面，從而減小框架結(jié)構(gòu)首層層高。（此短柱基礎(chǔ)可以理解為《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》第8.2.6條預(yù)制高杯口短柱基礎(chǔ)的現(xiàn)澆版。）

　�、墼诳蚣芙Y(jié)構(gòu)±0.000地面以下靠近地面處，設(shè)置拉梁層，將框架結(jié)構(gòu)首層分為兩層。

　　在這三種措施里，第一種措施往往因建筑使用功能的要求等，受到限制，不能任意加大梁，柱截面尺寸，從而增加剛度，而僅僅提高混凝土的強(qiáng)度等級對改善結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度來說又不是很明顯；所以我們最好在第二種和第三種措施中選擇，很多老前輩建議使用受力明確，構(gòu)造簡單，施工也方便的第二種措施即短柱基礎(chǔ)。其截面尺寸及配筋構(gòu)造要求可參照《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》第8.2.6條的規(guī)定確定。

　　1．《抗震規(guī)范》6.1.11條規(guī)定，框架單獨柱基有下列情況之一時宜沿兩個主軸方向設(shè)置基礎(chǔ)系梁：

　　⑴ 一級框架和Ⅳ類場地的二級框架；

　�、� 各柱基承受的重力荷載代表值差別較大；

　�、� 基礎(chǔ)埋置較深，或各基礎(chǔ)埋置深度差別較大；

　　⑷ 地基主要受力層范圍內(nèi)存在軟弱粘性土層、液化土層和嚴(yán)重不均勻土層；

　�、� 樁基承臺之間。

　　一般情況，基礎(chǔ)系梁宜設(shè)置在基礎(chǔ)頂面，其梁頂標(biāo)高與基礎(chǔ)頂面標(biāo)高相同，當(dāng)基礎(chǔ)系梁梁底標(biāo)高高于基礎(chǔ)頂面時，應(yīng)避免在基礎(chǔ)系梁與基礎(chǔ)之間形成短柱；當(dāng)基礎(chǔ)系梁距基礎(chǔ)頂面較遠(yuǎn)時，基礎(chǔ)系梁應(yīng)按拉梁層（無樓板的框架樓層）進(jìn)行設(shè)計，并參與結(jié)構(gòu)整體計算。

　　2．設(shè)置拉梁的目的是為了獨立柱基之間的整體性，有效調(diào)整柱基不均勻沉降和減小首層柱的高度。因此，拉梁應(yīng)有一定的剛度，拉梁的截面的高度�。�1/15~1/20）L，寬度�。�1/25~1/35）L，其中L為柱間距。拉梁位置除樁基承臺外宜在靠近首層地面。

　　框架獨立柱基的地基及荷載及抗震等級無上述情況時，不一定非要設(shè)基礎(chǔ)系梁或（拉梁）不可；尤其當(dāng)柱距較大時，例如單跨廠房，體育館，影劇院，餐廳，及大型站房等，因為這時拉梁的截面高度小，跨度大起不了應(yīng)有的整體性作用。

　　3．注意多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)置拉梁層的問題。

　　4．當(dāng)同時存在《抗震規(guī)范》第6.1.11條并且又難以滿足《抗震規(guī)范》5.5.1條的彈性層間位移角限值時，就要求我們采用設(shè)置拉梁層了，這時設(shè)計中應(yīng)注意以下幾個問題：

　�、倮�梁內(nèi)力的手算（不參加建模,整體計算）計算可選以下倆種方法之一：

　　1）取相連柱軸力F較大者的1/10作為拉梁的軸心受拉或軸心受壓的壓力進(jìn)行承載力計算。拉梁截面配筋應(yīng)上下相同，各不小于2Φ14，箍筋不少于φ6@200;拉梁截面可取上述第2條規(guī)定的較小值（承托較重隔墻者除外）。

　　2）以拉梁平衡柱下端彎矩，柱基按中心受壓考慮。拉梁的正彎矩鋼筋全部拉通，支座負(fù)彎矩鋼筋應(yīng)有1/2拉通。此時梁的高度宜取上述第2條規(guī)定的較高值。此時梁的構(gòu)造應(yīng)滿足抗震要求。

　　當(dāng)拉梁承托隔墻或其他豎向荷載時，則應(yīng)將豎向荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力與上述倆種方法之一計算所得之內(nèi)力進(jìn)行組合。

　�、诶�梁層作為一樓層參與整體計算，豎向荷載同2款，但應(yīng)按1款取軸心拉力與整體所得內(nèi)力組合確定拉梁配筋，一，二，三級框架結(jié)構(gòu)的底層柱底截面彎矩設(shè)計值增大系數(shù)應(yīng)用在首層，不應(yīng)在拉梁以下的底層，否則不安全。

　　拉梁層的拉梁應(yīng)按框架梁設(shè)計，抗震設(shè)計時，拉梁應(yīng)按相應(yīng)抗震等級的框架梁設(shè)置箍筋加密區(qū)。

　　拉梁層無樓板，在PMCAD交互式建模時，應(yīng)定義樓面房間開洞或定義零厚度樓板；結(jié)構(gòu)整體計算時再定義彈性樓板（彈性膜）并采用總剛算法分析。

　　有填充墻等荷載的拉梁，應(yīng)如實輸入作用在拉梁上的線荷載或其他荷載，如樓梯立柱的集中荷載等。

　　設(shè)有拉梁層的框架結(jié)構(gòu)，多了一個拉梁層，宜計算兩次：第一次，將框架柱嵌固在基礎(chǔ)頂面進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計算；第二次，假定拉梁層為地下室，即定義一層地下室后進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計算；用SATWE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)第二次整體計算時，總體信息中“回填土對地下室約束相對剛度比”可填1，以近似考慮地基土一定程度上的約束；框架梁柱配筋取倆次整體計算結(jié)果的較大值。

　　首層樓面以下基礎(chǔ)頂面以上的框架柱，宜取拉梁層以上及以下框架柱縱向受力鋼筋的較大值通長配筋；抗震設(shè)計時，拉梁以下的框架柱宜全高加密箍筋。

　　作者在做海南洋浦技工學(xué)校實訓(xùn)樓工程時采用第三種措施，按設(shè)拉梁層為地下室，結(jié)構(gòu)計算位移比結(jié)果如下：

　　===工況1===X方向地震力作用下的樓層最大位移         　

　　X方向最大值層間位移角:1/567.

　　按拉梁層不作為地下室，結(jié)構(gòu)嵌固于基礎(chǔ)頂時，位移比結(jié)果如下：　

　　===工況1===X方向地震力作用下的樓層最大位移　     

　　　X方向最大值層間位移角:1/458.

　　因為其未考慮回填土約束，還有就是風(fēng)荷載及地震力的失真，由此得出結(jié)論：此位移比結(jié)果是失真的，僅供梁柱配筋使用�！　�

　　設(shè)有拉梁層的框架結(jié)構(gòu)，之所以要進(jìn)行倆次整體計算，其原因是：

　　其一,僅將框架柱嵌固在基礎(chǔ)頂面處進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計算,可以使拉梁層頂面以下.基礎(chǔ)頂面以上框架柱的配筋較為合理，但可能會使拉梁層頂面以上框架柱的配筋不合理,特別是抗震設(shè)計時,一,二,三級抗震等級的框架結(jié)構(gòu),其底層柱底的彎矩增大系數(shù),在這時增大的是基礎(chǔ)頂面處的拉梁層柱下端截面的彎矩(《抗震規(guī)范》第6.2.3條),而不是增大拉梁層頂面處的結(jié)構(gòu)底層柱下端截面的彎矩,因而可能會使結(jié)構(gòu)的底層柱的配筋偏少。（注：底層指無地下室的基礎(chǔ)以上或地下室以上的首層。）

　　《抗震規(guī)范》第6.2.3條規(guī)定如下：一、二、三級框架結(jié)構(gòu)的底層，柱下端截面組合的彎矩設(shè)計值，應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.5、1.25和1.15。底層柱縱向鋼筋宜按上下端的不利情況配置。（相應(yīng)第6.2.3條文說明：框架結(jié)構(gòu)的底層柱底過早出現(xiàn)塑性屈服，將影響整個結(jié)構(gòu)的變形能力。底層柱下端乘以彎矩增大系數(shù)是為了避免框架結(jié)構(gòu)柱腳過早屈服。對框架-抗震墻結(jié)構(gòu)的框架，其主要抗側(cè)力構(gòu)件為抗震墻，對其框架部分的底層柱底，可不作要求。

　　《混凝土規(guī)范》第11.4.3條規(guī)定如下：考慮地震作用組合的框架結(jié)構(gòu)底層柱下端截面和框支柱的頂層柱上端和底層柱下端截面的彎矩設(shè)計值，對一、二、三級抗震等級應(yīng)按考慮地震作用組合的彎矩設(shè)計值分別乘以系數(shù)1.5、1.25和1.15確定。底層柱縱向鋼筋宜按柱上、下端的不利情況配置。）

　　其二，僅假定拉梁層為地下室，將框架柱嵌固在地下室頂面，即拉梁層頂面處進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計算，這時結(jié)構(gòu)的底層柱下端截面彎矩增大系數(shù)是增大拉梁層頂面處結(jié)構(gòu)的底層柱下端截面的彎矩，因而可以使拉梁層頂面以上結(jié)構(gòu)底層框架柱的配筋合理，但拉梁層頂面以下，基礎(chǔ)頂面以上框架柱的配筋，及拉梁層拉梁的配筋和結(jié)構(gòu)底層頂部框架梁的配筋就未必合理。

　　所以，設(shè)置拉梁層的框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行倆次結(jié)構(gòu)整體計算。配筋取倆者中的較大值

　　拉梁的設(shè)計設(shè)置，計算還會影響到地基基礎(chǔ)，工程師應(yīng)根據(jù)具體情況，具體分析。根據(jù)拉梁的位置不同，地基基礎(chǔ)是否考慮上部的結(jié)構(gòu)的彎矩，也是拉梁甚至基礎(chǔ)設(shè)計重要的一環(huán)。

　　1． 設(shè)置在單獨柱基礎(chǔ)頂部的拉梁

　　當(dāng)系梁受彎承載力滿足以下條件時

　　∑Mb>Mcua（6.1.7）

　　式中Mcua系梁上部柱按實配鋼筋面積和材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定的柱受彎承載力。

　　如下圖（6.1.7）A所示，地基可不考慮上部上部結(jié)構(gòu)的彎矩作用。

　　MbL>Mcua                                                                                     A

　　 當(dāng)系梁受彎承載力不滿足（6.1.7）式時，地基應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)的受彎作用。                                            

　　為避免地震作用下系梁塑性餃貼近柱邊出現(xiàn)的不利影響，應(yīng)如圖（6.1.7）B所示將系梁端部截面放大與基礎(chǔ)相連，地震時系梁塑性鉸的外移有利于避免柱塑性鉸的過早出現(xiàn)�！�

　　2． 設(shè)置在單獨柱基礎(chǔ)頂部之上的拉梁

　　當(dāng)拉梁下部的柱如圖（6.1.7）C所示形成短柱時，

　　應(yīng)將系梁端部截面放大，以保證系梁下部的柱不致受剪、受彎破壞。當(dāng)系梁受彎承載力大于柱受彎承載力時（即∑Mb>Mcua），地震時塑性餃可能出現(xiàn)在系梁上部的柱端，地基可不考慮上部結(jié)構(gòu)的彎矩作用�！�

　　當(dāng)拉梁下部的柱Hn≥3hc時，如圖（6.1.7）D所示，可將拉梁與柱的節(jié)點部位按強(qiáng)柱弱梁原則設(shè)計，使拉梁在地震時首先形成塑性餃，并迫使柱塑性餃最終在根部出現(xiàn)；　　

　　在這種情況下地基應(yīng)按考慮上部上部結(jié)構(gòu)的彎矩作用（即柱下端的嵌固彎矩作用）。拉梁下部的柱還應(yīng)驗算截面受剪承載力。

　　3． 一、二級抗震等級框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)拉梁除承受柱彎矩作用外，邊跨拉梁尚應(yīng)考慮拉梁以上框架柱下端的剪力設(shè)計值產(chǎn)生的拉力或壓力�！�

　　通過以上分析，可以總結(jié)：框架結(jié)構(gòu)獨立柱基間拉梁結(jié)構(gòu)要算兩次，柱基能否按軸心受壓考慮也與拉梁的關(guān)系非常密切。許多老的工程師認(rèn)為只要設(shè)了拉梁，基礎(chǔ)就可以按軸心受壓考慮，這種觀點筆者認(rèn)為是不正確的。拉梁的設(shè)置與否及計算正確與否將影響工程的經(jīng)濟(jì)，安全性能，只有正確的理解了拉梁的作用，才能做出合理正確的設(shè)計。　

　　參考文獻(xiàn)：《建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)措施》北京市建筑設(shè)計研究院編

　　《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計禁忌及實例》李國勝主編

　　《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計問答實錄》姜學(xué)詩編著

　　《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2001（2008年版）