独立柱基之间设计中拉梁的作用及计算要点

独立柱基之间设计中拉梁的作用及计算要点
摘要：本文通过一具体工程的设计，引述了地基拉梁的作用及计算要点。
　　关键词：独立柱基,系梁,拉梁,整体性,整体计算
　　作者在做海南洋浦技工学校实训楼工程时采用设拉梁层方法减少控制框架结构计算位移角，既满足了规范的要求，又做到了经济合理，符合实际。得到了业主方的认可和好评。现总结分析如下：
　　多层钢筋混凝土框架结构，当首层层高较高，独立基础埋深又较深，抗震设计时楼层的弹性层间位移角常常难以满足《抗震规范》5.5.1条的要求，当不考虑设置少量剪力墙时，通常可以采用下列三种措施的一种：
　　①加大框架结构梁，柱截面尺寸，提高混凝土的强度等级。
　　②可以采用短柱基础，使框架柱嵌固在基础短柱顶面，从而减小框架结构首层层高。（此短柱基础可以理解为《地基基础设计规范》第8.2.6条预制高杯口短柱基础的现浇版。）
　　③在框架结构±0.000地面以下靠近地面处，设置拉梁层，将框架结构首层分为两层。
　　在这三种措施里，第一种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，从而增加刚度，而仅仅提高混凝土的强度等级对改善结构整体侧向刚度来说又不是很明显；所以我们最好在第二种和第三种措施中选择，很多老前辈建议使用受力明确，构造简单，施工也方便的第二种措施即短柱基础。其截面尺寸及配筋构造要求可参照《地基基础设计规范》第8.2.6条的规定确定。
　　1．《抗震规范》6.1.11条规定，框架单独柱基有下列情况之一时宜沿两个主轴方向设置基础系梁：
　　⑴ 一级框架和Ⅳ类场地的二级框架；
　　⑵ 各柱基承受的重力荷载代表值差别较大；
　　⑶ 基础埋置较深，或各基础埋置深度差别较大；
　　⑷ 地基主要受力层范围内存在软弱粘性土层、液化土层和严重不均匀土层；
　　⑸ 桩基承台之间。
　　一般情况，基础系梁宜设置在基础顶面，其梁顶标高与基础顶面标高相同，当基础系梁梁底标高高于基础顶面时，应避免在基础系梁与基础之间形成短柱；当基础系梁距基础顶面较远时，基础系梁应按拉梁层（无楼板的框架楼层）进行设计，并参与结构整体计算。
　　2．设置拉梁的目的是为了独立柱基之间的整体性，有效调整柱基不均匀沉降和减小首层柱的高度。因此，拉梁应有一定的刚度，拉梁的截面的高度取（1/15~1/20）L，宽度取（1/25~1/35）L，其中L为柱间距。拉梁位置除桩基承台外宜在靠近首层地面。
　　框架独立柱基的地基及荷载及抗震等级无上述情况时，不一定非要设基础系梁或（拉梁）不可；尤其当柱距较大时，例如单跨厂房，体育馆，影剧院，餐厅，及大型站房等，因为这时拉梁的截面高度小，跨度大起不了应有的整体性作用。
　　3．注意多层钢筋混凝土框架结构设置拉梁层的问题。
　　4．当同时存在《抗震规范》第6.1.11条并且又难以满足《抗震规范》5.5.1条的弹性层间位移角限值时，就要求我们采用设置拉梁层了，这时设计中应注意以下几个问题：
　　①拉梁内力的手算（不参加建模,整体计算）计算可选以下俩种方法之一：
　　1）取相连柱轴力F较大者的1/10作为拉梁的轴心受拉或轴心受压的压力进行承载力计算。拉梁截面配筋应上下相同，各不小于2Φ14，箍筋不少于φ6@200;拉梁截面可取上述第2条规定的较小值（承托较重隔墙者除外）。
　　2）以拉梁平衡柱下端弯矩，柱基按中心受压考虑。拉梁的正弯矩钢筋全部拉通，支座负弯矩钢筋应有1/2拉通。此时梁的高度宜取上述第2条规定的较高值。此时梁的构造应满足抗震要求。
　　当拉梁承托隔墙或其他竖向荷载时，则应将竖向荷载所产生的内力与上述俩种方法之一计算所得之内力进行组合。
　　②拉梁层作为一楼层参与整体计算，竖向荷载同2款，但应按1款取轴心拉力与整体所得内力组合确定拉梁配筋，一，二，三级框架结构的底层柱底截面弯矩设计值增大系数应用在首层，不应在拉梁以下的底层，否则不安全。
　　拉梁层的拉梁应按框架梁设计，抗震设计时，拉梁应按相应抗震等级的框架梁设置箍筋加密区。
　　拉梁层无楼板，在PMCAD交互式建模时，应定义楼面房间开洞或定义零厚度楼板；结构整体计算时再定义弹性楼板（弹性膜）并采用总刚算法分析。
　　有填充墙等荷载的拉梁，应如实输入作用在拉梁上的线荷载或其他荷载，如楼梯立柱的集中荷载等。
　　设有拉梁层的框架结构，多了一个拉梁层，宜计算两次：第一次，将框架柱嵌固在基础顶面进行结构整体计算；第二次，假定拉梁层为地下室，即定义一层地下室后进行结构整体计算；用SATWE软件进行结构第二次整体计算时，总体信息中“回填土对地下室约束相对刚度比”可填1，以近似考虑地基土一定程度上的约束；框架梁柱配筋取俩次整体计算结果的较大值。
　　首层楼面以下基础顶面以上的框架柱，宜取拉梁层以上及以下框架柱纵向受力钢筋的较大值通长配筋；抗震设计时，拉梁以下的框架柱宜全高加密箍筋。
　　设有拉梁层的框架结构，之所以要进行俩次整体计算，其原因是：
　　其一,仅将框架柱嵌固在基础顶面处进行结构整体计算,可以使拉梁层顶面以下.基础顶面以上框架柱的配筋较为合理，但可能会使拉梁层顶面以上框架柱的配筋不合理,特别是抗震设计时,一,二,三级抗震等级的框架结构,其底层柱底的弯矩增大系数,在这时增大的是基础顶面处的拉梁层柱下端截面的弯矩(《抗震规范》第6.2.3条),而不是增大拉梁层顶面处的结构底层柱下端截面的弯矩,因而可能会使结构的底层柱的配筋偏少。（注：底层指无地下室的基础以上或地下室以上的首层。）
　　《抗震规范》第6.2.3条规定如下：一、二、三级框架结构的底层，柱下端截面组合的弯矩设计值，应分别乘以增大系数1.5、1.25和1.15。底层柱纵向钢筋宜按上下端的不利情况配置。（相应第6.2.3条文说明：框架结构的底层柱底过早出现塑性屈服，将影响整个结构的变形能力。底层柱下端乘以弯矩增大系数是为了避免框架结构柱脚过早屈服。对框架-抗震墙结构的框架，其主要抗侧力构件为抗震墙，对其框架部分的底层柱底，可不作要求。
　　《混凝土规范》第11.4.3条规定如下：考虑地震作用组合的框架结构底层柱下端截面和框支柱的顶层柱上端和底层柱下端截面的弯矩设计值，对一、二、三级抗震等级应按考虑地震作用组合的弯矩设计值分别乘以系数1.5、1.25和1.15确定。底层柱纵向钢筋宜按柱上、下端的不利情况配置。）
　　其二，仅假定拉梁层为地下室，将框架柱嵌固在地下室顶面，即拉梁层顶面处进行结构整体计算，这时结构的底层柱下端截面弯矩增大系数是增大拉梁层顶面处结构的底层柱下端截面的弯矩，因而可以使拉梁层顶面以上结构底层框架柱的配筋合理，但拉梁层顶面以下，基础顶面以上框架柱的配筋，及拉梁层拉梁的配筋和结构底层顶部框架梁的配筋就未必合理。
　　所以，设置拉梁层的框架结构，应进行俩次结构整体计算。配筋取俩者中的较大值
　　拉梁的设计设置，计算还会影响到地基基础，工程师应根据具体情况，具体分析。根据拉梁的位置不同，地基基础是否考虑上部的结构的弯矩，也是拉梁甚至基础设计重要的一环。
　　1． 设置在单独柱基础顶部的拉梁
　　当系梁受弯承载力满足以下条件时
　　∑Mb>Mcua（6.1.7）
　　式中Mcua系梁上部柱按实配钢筋面积和材料强度标准值确定的柱受弯承载力。
　 地基可不考虑上部上部结构的弯矩作用。
为避免地震作用下系梁塑性饺贴近柱边出现的不利影响，应如图（6.1.7）B所示将系梁端部截面放大与基础相连，地震时系梁塑性铰的外移有利于避免柱塑性铰的过早出现。
　　　　2． 设置在单独柱基础顶部之上的拉梁
　　当拉梁下部的柱如图（6.1.7）C所示形成短柱时，
　　应将系梁端部截面放大，以保证系梁下部的柱不致受剪、受弯破坏。当系梁受弯承载力大于柱受弯承载力时（即∑Mb>Mcua），地震时塑性饺可能出现在系梁上部的柱端，地基可不考虑上部结构的弯矩作用。
　　　　当拉梁下部的柱Hn≥3hc时，如图（6.1.7）D所示，可将拉梁与柱的节点部位按强柱弱梁原则设计，使拉梁在地震时首先形成塑性饺，并迫使柱塑性饺最终在根部出现；
　　在这种情况下地基应按考虑上部上部结构的弯矩作用（即柱下端的嵌固弯矩作用）。拉梁下部的柱还应验算截面受剪承载力。
　　3． 一、二级抗震等级框架结构的基础拉梁除承受柱弯矩作用外，边跨拉梁尚应考虑拉梁以上框架柱下端的剪力设计值产生的拉力或压力。
　　通过以上分析，可以总结：框架结构独立柱基间拉梁结构要算两次，柱基能否按轴心受压考虑也与拉梁的关系非常密切。许多老的工程师认为只要设了拉梁，基础就可以按轴心受压考虑，这种观点笔者认为是不正确的。拉梁的设置与否及计算正确与否将影响工程的经济，安全性能，只有正确的理解了拉梁的作用，才能做出合理正确的设计。