专栏名称: 建筑结构

《建筑结构》创刊于1971年，是中文核心期刊，建设部优秀科技期刊。主要栏目包括混凝土结构、钢结构、空间结构、组合结构、地基与基础等方面的结构设计经验以及工程抗震、减隔震等相关问题的交流与讨论。内容以实用性、科学性、导向性和资料信息性为特色。

建筑结构丨凸窗梁，何以影响结构大局？

建筑结构 · 公众号 · · 2024-06-16 09:00

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01.凸窗梁的特点

在很多超高层住宅项目中，结构梁结合建筑凸窗布置，梁高通常为1200~1300mm（含上反部分），相比普通梁200X（400~600），凸窗梁具有明显的刚度集中，结构整体指标甚至存在被凸窗梁挟持的可能。

这类梁的跨高比通常小于5.0（跨度小于6.0m），甚至小于2.5（跨度小于3.0m），凸窗梁的典型大样如图1所示。结构楼板位于凸窗梁的中轴附近，凸窗梁外侧悬挂预制凸窗。

图1 凸窗梁典型大样

02.实际项目中的凸窗梁

图2、图3为两个实际超高层住宅项目结构标准层布置图，图中蓝色截面标识的梁均为凸窗梁，梁跨为2.0~5.5m，梁高为1200~1300mm。凸窗梁的支座情况比较多样，主要可分为如下几种：

两端均与剪力墙面内相连；
一端与剪力墙面内连接，一端与剪力墙面外连接；
一端与剪力墙面内连接，一端与剪力墙端柱连接；
两端均与剪力墙端柱（也可能为独立框架柱）连接。

图2 某住宅项目A布置图

图3 某住宅项目B布置图

由于凸窗梁位于结构外围，截面高度大，其对结构整体抗侧刚度及抗扭指标存在较大影响。同时，凸窗梁的建模方式会进一步对计算结果产生影响。

03.凸窗梁指定为连梁？

在整体计算指标（位移角、扭转周期比等）无法满足规范要求的情况下，结构工程师可能将凸窗梁指定为连梁，连梁在软件中会默认为壳单元，与两端同为壳单元的剪力墙具有较好的协调性，结构刚度往往优于杆元。这种操作方法在实践层面有效，但在逻辑上值得商榷。

首先，结构规范对连梁是有明确定义的，《高规》7.1.3条及条文说明，“两端与剪力墙在平面内相连的梁为连梁”，这是连梁的物理定义；连梁的力学定义是“梁的内力以水平荷载作用下产生的弯矩和剪力为主，竖向荷载引起的内力较小，水平及竖向荷载组合作用下，梁端弯矩反号”。

狭义层面的连梁，其实是同时符合物理定义及力学定义。由于连梁与普通框架梁在受力特性上存在明显差异，所以规范对连梁的设计及构造给出了额外规定。

广义上的连梁，其实指的是一类受力状态，与支座情况无关。

其次，在实操层面，规范对框架梁与连梁以跨高比进行区分，跨高比小于5被认为是连梁，跨高比大于5则按框架梁进行设计。规范的规定并不涉及梁单元的类型，但在软件操作层面，连梁与框架梁存在明显差异。

今天要回答的问题是，凸窗梁能不能定义为连梁？

小编认为，多数情况下，都是不适合的。因为，连梁属于耗能构件，凸窗梁在结构中属于重要的外框梁，尤其是平面分肢为单向少墙的情况下，同时，凸窗梁对结构抗扭刚度贡献较大。作为测试，可以在模型中将凸窗梁两端设铰，结构指标将会大幅退化。

04.凸窗梁处理建议

凸窗梁两侧为剪力墙，即两侧为壳单元，这时，将凸窗梁按壳单元梁进行模拟，小编认为是合适的。采用壳单元模拟后，计算模型如图4右图所示，此时，壳单元之间互相协调，刚度计算更准确。

图4计算模型对比

如果凸窗梁一侧为剪力墙端柱或框架柱，柱子按杆单元模拟时，凸窗梁则应按杆单元模拟，因为壳元梁与默认的杆元柱无法有效协调，结果失真。

基于凸窗梁梁顶与结构楼板不平齐的事实，凸窗梁的刚度系数应慎重考虑；另外，凸窗梁配筋设计时，不宜再考虑楼板翼缘的贡献作用。

由于凸窗梁本身刚度大，如果与之相连的墙肢、端柱截面过小，可能会造成端部竖向构件抗剪、抗弯不足，这属于先天失调，方案阶段应尽量平衡结构需求。

05.简化模型对比

以下以一个简化模型对比梁的建模方式对结构指标的影响。

建立核心筒模型8.0mX8.0m，剪力墙厚度200mm，角部剪力墙在两个方向的长度分别为2.5m，即剪力墙面内方向梁跨度3.0m，梁截面200X1200，核心筒内部布置井字梁，梁截面为300X700，厚板厚度120mm，楼面荷载为3.0（0.0）kPa。整体模型共组装10层，层高3.0m。墙柱混凝土强度等级均为C50，梁板混凝土强度等级均为C30。

主要对比角部竖向构件（按剪力墙or框架柱），连梁（按框架梁、指定壳元梁及开洞连梁）不同建模方式对计算的影响。排列组合可形成如下五种计算模型。