浅析混凝土框架结构传力路径

及梁板结构方案布置要点

1.混凝土框架结构传力路径

混凝土框架结构是由板、梁、柱构成的承重体系的结构，其竖向荷载传力路径为荷载作用在板上，由板传递给传递给梁，之后通过梁传递给柱，柱再将荷载传递给基础，基础最终把荷载传递给地基。

明确混凝土框架结构的传力路径是十分必要的，笔者有一次去项目现场验收一框架结构建筑的基础分部，和施工单位一位年轻的工程师交流上部结构施工时，他提到了承重墙一类的词汇，认为楼面上的荷载不仅通过梁板传递，还通过柱间隔墙进行竖向传递，这种想法是错误的，严重违背了框架结构的传力途径。

理论上讲，框架结构的房屋墙体不承重，仅起到围护和分隔作用。施工的时候应先做主体结构（梁板柱），后做二次结构（非承重结构：过梁、构造柱、隔墙、填充墙等）；原则上讲，墙体应该自上层而下层施工，保证自重荷载能够通过梁板柱及基础传递至地基，从而保证墙体不承重，但是在实际施工过程中，现场往往是从底层向顶层来做二次结构，为了保证结构传力路径尽量准确，墙体顶部会采用斜砌的方法来减少墙体的受力。

2.从力学及经济角度分析梁板结构布置

2.1单向板与双向板

根据砼规9.1.1条规定，混凝土板按下列原则进行计算：1.两对边支承的板应按单向板计算；2.四边支承的板应按下列规定计算：1）当长边与短边长度之比不大于2．0时，应按双向板计算；2）当长边与短边长度之比大于2．0，但小于3．0时，宜按双向板计算；3）当长边与短边长度之比不小于3．0时，宜按沿短边方向受力的单向板计算，并应沿长边方向布置构造钢筋。

同时，砼规9.1.2条还对现浇混凝土板的跨厚比做了规定：钢筋混凝土单向板不大于30，双向板不大于40；无梁支承的有柱帽板不大于35，无梁支承的无柱帽板不大于30。预应力板可适当增加；当板的荷载、跨度较大时宜适当减小。注：钢筋混凝土板的跨度均为短边长度，这是因为力总是沿着刚度大的方向优先传递，板的短跨由于线刚度大（EI/L），所以荷载沿板的短向传力。

根据以往的工程经验，板厚取值宜按下式确定：

1）单向板：h=（1/30—1/35）×板跨
2）双向板：h=（1/40—1/45）×板跨

2.2梁板结构加次梁与不加次梁的区别

下面我们通过一个小案例来讨论一下混凝土框架结构梁板体系加次梁与不加次梁的区别。假设有一单层单跨框架结构，轴网尺寸为8400×8400，主梁尺寸暂定350×700，次梁尺寸暂定350×600，其余永久荷载及可变荷载均相同。

1）大板体系

从图中可以看出板跨度为8400mm，根据砼规中的相关要求，板厚宜取8400/40=210mm左右，那么我们可以粗略计算一下屋盖的自重（不考虑建筑面层做法），钢筋混凝土容重按25kN/m3考虑，有：

（8.4-0.35）2×0.21×25+（8.4-0.35）×0.35×0.7×25×4+（0.5×0.5）×0.7×25=541.81kN≈54.2t

1）主次梁体系

从图中可以看出板跨度为4200mm，根据砼规中的相关要求，板厚宜取4200/40=105mm左右，同大板体系一样，我们来粗略计算一下屋盖自重（同样没有考虑建筑面层做法），钢筋混凝土容重按25kN/m3考虑，有：

（8.4-0.35）×（4.2-0.35）×0.105×25×2+（8.4-0.35）×0.35×0.7×25×4+（8.4-0.35）×0.35×0.6×25+（0.5×0.5）×0.7×25=406.57kN≈40.7t

由此可见，相同的跨度，不同的结构布置会产生不同的结果，主次梁体系自重比大板体系自重轻了13吨左右，通过分析我们能得到以下结论：大板结构自重大，由于自重大导致的吸收地震力大，抗震性能差，混凝土用量较多，由于自重大导致配筋量大，浪费钢筋；而主次梁体系板厚减小从而结构自重降低（可与大板结构方案对比），吸收的地震力减小，抗震性能较好；混凝土用量小；跨度小、自重轻，大部分钢筋均为构造钢筋，较为节省。

看到这里，有些朋友可能就会问了，为啥结构自重大抗震性能就差呀？那么就要请出我们的《建筑抗震设计规范》了，根据抗规5.2条及5.1.3条规定，采用底部剪力法计算时根据下式计算：

其中建筑的重力荷载代表值（Geq）应取结构和构配件自重标准值（D）和各可变荷载组合值（L）之和。计算地震作用时，建筑的重力荷载代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和。各可变荷载的组合值系数，应按表5．1．3采用。

综上，结构自重降低，吸收的水平地震力减小，更有益于结构的整体抗震性能。

2.3梁端简支与梁端固结的区别

1）弯矩/配筋对比

以上两种力学模型均为最理想的模型，但在实际的混凝土框架结构中，大部分梁的状态处于以上两种受力状态之间，即为弹性约束，在设计时要深刻理解上图中两种弯矩图的变化趋势，从而运用准确的计算假定来保证结构安全。

2）挠度对比

根据计算得知，同样梁截面同样的荷载，按照固结的挠度远小于简支的挠度。

综上可见，两端固结充分的利用到了梁各个截面（梁端配置了负弯矩钢筋，跨中配置正筋， 且配筋合理），而两端简支的梁，跨中正弯矩较大，支座处弯矩为0，梁截面没有得到充分的利用（都集中到了跨中位置）。所以，两端固结的梁更好一些。

2.4布置连续梁还是简支梁该如何选择

1）连续梁

①处主梁很难完全成为次梁的约束，因此此处介于铰接与固结之间，弯矩小于1/12qL?；②处弯矩大于 1/24qL?；③处弯矩大于 1/12qL?。

2）简支梁

①处主梁很难完全成为次梁的约束，因此此处介于铰接与固结之间，弯矩小于1/12qL?；②处弯矩大于 1/24qL?。此方案跨中正弯矩较大，而端部弯矩很小，没有充分利用梁的截面，不合理。

综上，连续梁要比单跨简支梁合理，当然还要结合建筑图和结构大指标进行布置。

2.5次梁的长向布置与短向布置对比

1） 刚度在板中的应用

矩形平面的楼板按其两向刚度比划分单向板和双向板计算四边支承的楼板,首先根据其两个方向的板跨度决定板型:当 l2/l1≥2 时,板上荷载大部分沿板的短方向传递,故按单向板计算;当 l2/l1<2 时,板上荷载沿双向传递,故必须按双向板计算。其划分原则表面以板的长短边比例作为界限,实质上是因荷载的传递方式取决于板的两个方向刚度比值,两方向的刚度相等或相近,荷载沿双向传递,相差悬殊时则为单向传递,且沿着刚度大(短跨方向)的方向传递,即实际上是根据板的纵向与横向刚度比例划分单、双向板。

2）方案 1（长向布置）

单跨内:L1承受荷载q为2a，L2承受荷载q为4b+2a（次梁L1传来的集中力），L1虽然承受的荷载较小，但是跨度比L2大，L2虽然承受荷载较大，但是跨度比L1小一些。由弯矩公式M=αql2（α为系数 1/8,1/12,1/24......）可知，这种布置方式X梁与Y梁的弯矩M大小相对平衡一些，X方向的梁与Y方向的梁截面大小不会有太大的偏差，所以此方案较为合理。 

2）方案 2（短向布置）

单跨内:L1承受荷载q为4a+2b（次梁L2传来的集中力），L2承受荷载q为2b；此方案下L1承受荷载较大，跨度也大；L2承受荷载小，跨度也小，由弯矩公式M=αql2可知，两方向的梁弯矩M不平衡，导致X方向的梁截面远大于Y方向的梁截面，这样影响设备专业走管线，影响净高的要求，所以这种方案欠佳。但是，在一些学校、办公楼以及宿舍项目中，建筑横向隔墙较多，为了实现墙自重荷载直接传递给梁，往往在这些项目中采用短向布梁。

2.6 单次梁与双次梁体系的对比

1） 单次梁体系（轴网 8.4×8.4m）

由可见，由于次梁传来的集中力，跨中正弯矩过大，梁截面大，配筋浪费。

2） 双次梁体系（轴网 8.4×8.4m）

双次梁体系，减小了板的跨度，充分利用了梁的截面，受力较为合理，跨中的弯矩得到减小，节省了钢筋。

根据以往的工程经验，轴网跨距在7.8m以上适合做双次梁体系。

3）梁的级别

在实际工程项目中，由于楼板开洞等因素，不得不布置多根次梁，在次梁结构布置时，必须进行次梁分级，已达到传力路径明确、梁内钢筋锚固良好的目的。

①②③分别对应第一二三级别的梁。