开孔梁的设计计算及相关内容探讨

开 孔 梁 的 设 计 计 算 及 相 关 内 容 探 讨
潘 鹏
（ 上海市同济大学建筑设计研究院 （ 集团 ） 有限公 司 ， 上海 ２ ０ ０ ０ ９ ２ ）
摘
要： 钢筋混凝土梁开孔是工程 中的常见 问题 ， 根 据国内外 开孔 梁研 究的部分 成果 ， 分析 了开孔梁受 力破坏 的机理 ， 结合 自身 工 。
针 对开矩形孔洞 的钢筋混凝 土梁 ， 结合常规设计方法进行讨论 。
１ 开孔 梁 的受力 特点
开孔 梁的上 、 下弦杆 性能类 似空 腹桁架 ， 反弯 点一 般位 于弦 杆中点附近。梁的 内力可 由结构力 学计 算确定 。其 中弯矩 由 弦
图 ２ 开孔粱裂缝分布图
孔洞几何参数也对 开孔 梁的受 力性 能有 显著 影 响。孔 洞 长 杆中拉 、 压力形成 的力偶抵抗 ， 如果 每根 弦杆 承担 的剪 力也 已知 ， 度和孔 洞高度对开 孔梁 的极 限承 载力 和刚度 有重 要影 响。随着 则弦杆根部作为控 制截 面， 在 弯矩 、 轴力及 剪力 共 同作 用下 的承 两者的增大 ， 开孔梁 的极 限承载力 、 刚度 显著下 降， 孔侧 混凝土 开
载力可依据现行规范完成设计 ， 见图 １ 。
裂荷载下降 ， 孔角斜裂缝更早开展 ， 斜筋 、 箍筋 更早 屈服。相 比较
而言 ， 孑 Ｌ 洞竖 向位 置对 开孔梁 的极 限承载力 影 响并不 明显 ， 但 应
梁身 下弦 ｒ
，
避免孔洞 向受压 弦杆偏 心。孔洞偏 向受 拉 区开设 比偏 向于受 压
拉弦杆不承受剪力 ， 剪力 完全 由受压 弦杆承 担 ； 而某些 学者认 为
如前所述 ， 现行规 范 中并 未述 及开孔 梁设 计 的流 程及 方法 。 弦杆承担 的剪力可根据截面大小分配 ； 也有学 者建议按 照刚度 比 设计人员多参考各 种构 造手册 进行设 计 。尤其 以中国有 色工 程 设计总院主编 的《 混凝 土结构 构造手册 》 中关于 开孔梁 的设计 方 例分配 。 其内容简述如下。 国内早期开孔梁研究 的论文 多引用 Ｍ ａ ｌ ｌ ｓ ｕ ／ （ １ ９ ８ ４ ） 完 成 的试 法使用最 为广泛 ， 开孔梁加 强配筋示 意图见图 ３ 。 验论文 ， 根据此文总结 的试验数据可知 ： 加载过 程 中， 在孔洞 每一 孔洞一侧 的补 强钢 筋（ Ａ ， Ａ ） 按 照下 式计算 ： 角部 ， 弦杆的裂 缝逐 渐 汇 聚于一 点 ， 该 点在 破坏 时 ， 混 凝 土被 压
均有不 利影 响。
微下降 。因此孔洞 过于靠 近支座 或者 加载点 开设 对抗 剪承 载力
同时 ， Ｐ ｏ ｏ ｌ （ １ ９ ８ ６ ） 曾对不 同形状 开孔 的梁 做过光 弹性试 验 和
图 １ 梁 身及 脱 离体 示 意 图
有 限元分析 ， 根据其试 验结 果 ， 椭 圆系最佳 开孔 形状 ， 圆孔次 之。
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４ ０・
第３ ９卷 第 １ ４期 ２ ０ １ ３ 年 ５ 月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮ ＸＩ ＡＲＣＨＩ Ｔ ＥＣ Ｔ ＵＲ Ｅ
Ｖ０ Ｉ ＿ ３ ９ Ｎｏ ． １ ４ Ｍａ ｙ ． ２ ０１ ３
文章编号 ： １ ０ ０ ９ — ６ ８ ２ ５ （ ２ ０ １ ３） １ ４ — ０ ０ ４ ０ — ０ ３
洞 侧适 当配 置斜 筋和箍 筋 能够 满足 最大裂 缝 宽度 的性 能要求 。
设计过程 中， 建议 剪力 集 中系数取 ２ ， 其 中斜 筋 应承担 总 剪力 的
７ ５ ％ 。同时 ， 弦杆中反弯点 的位 置取 决于纵 筋 的布 置 ， 弦杆 对称
反弯点大致位于弦杆中点。 径不大 ， 设 计较为简单 。对于 暖通或 电气专 业 的管道 ， 开洞需 求 配筋 时 ，
文献标识码 ： Ａ
作实践就开孔梁 的设计要点等相关 内容进 行了讨论 。 关键 词 ： 开孔 ， 钢筋混凝 ３ ７ ５ ． １ ・
０ 引言
碎 。弦杆在端部因混凝 土压碎 成铰 ， 其 中尤 以受 压弦 杆严重 ， 最
梁 身变为 机构 而 破 现代 建筑工 程中 ， 吊顶 以上各种 设备 管道 繁杂 ， 楼 面梁 开洞 终梁段 因弦杆 于开 洞 四角相继 形成 塑性 铰 ， 坏， 见图２ 。另外 ， 由于剪 力集 中的影响 ， 最 大裂缝 宽度 总是 出现 实现管道穿越 ， 可 以在层 高不变 的前提下 ， 最 大程度 增加净 高 ， 对 因此 ， 有必要 对每根梁 规定一个 剪力集 中系数 Ｋ， 放 提升建 筑品质 、 降低工程造价具有 现实意义 。梁腹 开洞影 响梁身 在孔洞角部 ， 连续性 ， 其 强度及 刚度 均受 到削弱 ， 同时开洞 角部 的应 力集 中也
但是 孔洞 四角倒 圆角 ， 使 其具 开孔梁设计 的一个重 要 问题 是梁 断面 突然削 弱导 致 的应 力 矩 形孔 虽然不是最好 的开孔 形状 ， 有 椭圆孔的受力特性 ， 可 以改善孔角应力集 中的现象 。 集中， 配筋不足或者构造不合理导致 的裂缝过 宽或者梁破 坏 。另
一
个重要问题是总剪力在弦杆之间 的分 配问题 ， 部分学者 认为受 ２ 开 孔梁 的设计
区开设对抗剪承 载力更 为有 利 ， 工程 设计 中 ， 可将受 压 弦杆高 度
Ｚ
适 当增大 ， 受拉弦杆 的高度 适 当减 小 ， 以提 高梁 的承 载能 力。孔
Ｊ ０
上弦一
梁身
广一
下 弦・
目 封
洞水 平位 置从 支座 附 近向跨 中移 动 ， 开孔 梁 的极 限荷 载有所 提 高 。但 随着孑 Ｌ 洞进一步靠近加载点 ， 开孔梁 的极 限承载力反 而略
大用于洞侧补强设计 的剪力数值 ， Ｎ ａ ｓ ｓ ｅ ｒ （ １ ９ ６ ７ ） 也 曾有 类似建议 。
相对 于洞侧 箍筋 ， 角部 配斜 筋对控 制裂 缝 宽度 容易造成裂缝出现 ， 进 而改变构 件的工作性 能。国 内外 对开孔钢 文 中结论还表 明， 和减少梁 的挠度更为有效 ， 也 有助于提高 梁的极 限承载力 。角部 筋混凝土梁进行过试验 、 数值 分析等一 系列研究 。但其 完善 的设 计理论和方法并未见诸于相关规 范。作 为工程 中的常见 问题 ， 有 必要研究开孔对梁强度及性能 的影响 。 工程实践 中 ， 圆洞多 为给排 水专业 喷淋 管开 设 ， 此 时孔洞 直 大 多为矩形 ， 且尺 寸较大 。工 程设计 中 ， 尺寸 较大 的矩 形洞 口设 计较为 常见 ， 设计人员多参考各种构造 手册进行设 计 。本文 主要