浅谈连梁在结构抗震中的合理设计

【摘要】文章分析了框架-剪力墙及剪力墙结构体系中连梁的工作与破坏机理， 并提出对连梁合理设计的建议。

【关键词】剪力墙结构；连梁设计

前 言

随着我国工业化、城市化建设进程的加快， 城市建设不断朝着高层、超高层建筑方向发展，框架-剪力墙及剪力墙结构体系设计日渐频繁，结构体系中连梁不仅是墙肢之间传力的纽带，而且还是抗震设防的第一道防线和主要耗能构件，设计是否合理直接决定建筑抗震性能好坏，其合理的刚度对结构的安全、经济性影响重大。下面对连梁的工作机理进行探讨并提出连梁设计相关建议，为工程设计提供参考。

1、连梁的工作和破坏机理

1.1 高层建筑在风荷载和地震力作用下， 由于连梁两端的墙肢受到不均匀地压缩， 在连梁两端产生竖向的位移差， 并在连梁内产生内力。但是连梁端部的弯矩、剪力和轴力反过来减小了墙肢的内力与变形， 对墙肢起到一定的约束作用， 并改善了墙肢的受力。

1.2 高层建筑剪力墙的连梁在水平荷载作用下的破坏可分两种， 第一种属于脆性破坏（即剪切破坏）， 第二种属于延性破坏（即弯曲破坏）。当连梁发生脆性破坏时其承载力丧失，如果沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时， 各墙肢就丧失了连梁对它的约束作用， 并成为单片的独立梁。从而造成结构的侧向刚度大大降低， 结构的变形加大， 并且进一步增大P―Δ 效应（竖向荷载由于水平位移而产生的附加弯矩）， 最终可能造成结构的倒塌。当连梁发生延性破坏时， 梁端出现垂直裂缝， 受拉区出现微裂缝， 在地震作用下会出现交叉裂缝， 并形成塑性， 因此结构刚度降低， 变形加大， 从而会吸收大量的地震能量。由于通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力， 并对墙肢起到一定的约束作用， 使得剪力墙保持足够的刚度和强度。在这一过程中， 连梁起到了一种耗能的作用， 对减少墙肢内力， 延缓墙肢屈服有着重要的作用。但在地震反复作用下， 连梁的裂缝会不断发展、加宽， 直到混凝土受压破坏。

2、合理结构体系的连梁设计

根据以上对连梁的工作和破坏机理的分析， 为保证墙肢和连梁一致协同地工作， 在正常的使用荷载和风荷载作用下，结构应处于弹性工作状态， 连梁不应该出现塑性铰。在地震作用下， 结构允许进入弹塑性状态， 连梁可以产生塑性铰。根据抗震设计规范总则的要求，所以连梁设计的要求符合“强剪弱弯”的原则， 连梁的屈服要早于墙肢的屈服， 并保证墙肢和连梁具有良好的延性。因此在日常设计中， 为了建立合理的结构模型， 我们应该把握以下几种方法：

2.1 连梁刚度的折减

《高规》第5.2.1 条规定：在内力与位移计算中， 抗震设计的框架剪力墙或剪力墙结构的连梁刚度可以折减， 折减系数不宜小于0.5。之所以考虑对连梁刚度进行折减， 是由于在侧向荷载作用下， 混凝土的开裂引起了刚度降低。在地震作用下， 连梁的裂缝开展和塑性变形比在风荷载作用下更大， 因此刚度降低更多。刚度折减越多意味着在设计荷载作用下裂缝开展越大。在超载时， 如发生强大的阵风力或地震烈度超过多遇地震烈度时， 塑性铰就会出现更早， 所以要加强连梁的延性和使连梁符合强剪弱弯要求。对位移由风荷载控制的建筑， 为避免连梁在使用荷载作用下裂缝开展过大， 连梁刚度折减系数不宜小于0 .8 。按《高规》规定， 在计算竖向荷载作用下的内力时， 对已经考虑连梁调幅的， 不应再考虑刚度折减。

2.1 .2 抗震设计剪力墙结构连梁的弯矩和剪力可进行适当塑性调幅， 以降低其剪力设计值。但在结构计算中已对连梁进行了刚度折减， 其调幅范围应限制或不再调幅。当部分连梁降低弯矩设计值后， 其余部位的连梁和墙肢的弯矩应相应加大。一般情况下， 经全部调幅（包括计算中连梁刚度折减和对计算结果的后期调幅）后的弯矩设计值不宜小于调幅前（完全弹性）的0.8 倍（6， 7 度）和0.5 倍（8， 9 度）。但是我们应该注意：

（1）这调整方法考虑连梁端部的塑性内力重分布， 对跨高比较大的连梁效果比较好， 而对跨高比较小的连梁效果较差。

（2）经此调整， 仍可确保连梁对承受竖向荷载无明显影响。

2.2 加大连梁跨度减小其高度

在连梁设计过程中， 其刚度经折减后， 仍有可能发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够的情况， 这时可以增加洞口的宽度， 以减小连梁刚度。减小结构的整体刚度， 就是减小了地震力作用的影响， 使连梁的承载力有可能不超限。如果只是部分连梁超筋或超限， 则可采取调整连梁内力来解决。但是调整的幅度不宜大于20 %， 且连梁必须满足强剪弱弯原则。

2.3 加大剪力墙厚度

为了是增加连梁的截面宽度。一方面由于结构整体刚度加大， 地震作用产生的内力增加， 另一方面连梁的受剪承载力与宽度的增加成正比。由于该片墙厚增加以后， 地震所产生的内力并不按墙厚增加的比例分配给该片剪力墙， 而是小于这个比例， 因此有可能使连梁的受剪承载力不超限。

2.4 提高混凝土等级

混凝土等级提高后， 结构的地震作用影响增加的比例远小于混凝土受剪承载力提高的比例，有可能使连梁的受剪承载力不超限。

2.5 处于地震区的高层建筑剪力墙的连梁

在进行了上述调整后， 仍有部分不符合承载力要求时， 可取连梁截面的最大剪压比限值确定剪力。然后按强剪弱弯的要求， 配置相应的纵向钢筋。此时， 如果不能保证连梁在大震时的延性要求，应重新计算整个结构， 必要时调整结构布置， 使连梁的承载力符合要求。

2.6 连梁的铰接处理

当连梁的破坏对承受竖向荷载无明显影响（即连梁不作为次梁的支承梁）时， 可假定该连梁在大震下破坏， 对剪力墙按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下的结构内力分析。实际计算时， 为减小结构计算工作量， 可将连梁按两端铰接梁计算。这时我们应该注意：

（1）事实上， 通过采取恰当的构造措施可确保连梁对剪力墙的约束不完全丧失， 避免出现独立墙肢。采用铰接处理就是考虑了大震时连梁对剪力墙仍能保持一定的约束作用。

（2）调整的连梁为其破坏对承受竖向荷载无明显影响的连梁， 即该连梁不作为次梁或主梁的支承梁。

（3）此计算为第二次， 是对剪力墙进行包络设计的重要步骤之一。

（4）实际操作中， 经常会出现将某根超筋连梁进行铰接处理后， 引起其他位置原来不超筋的连梁超筋。上述的措施中， 在满足结构整体刚度的情况下， 可优先采用刚度折减， 如果仍超限， 可采用其余措施， 如在连梁中部开水平缝等等。但是总的原则是建立合理的模型并尽可能不超筋。

3、结 语

在框架-剪力墙及剪力墙结构体系的抗震设计中，连梁作为抗震设防的第一道防线和主要耗能构件，设计是否合理直接决定建筑抗震性能好坏，其合理的刚度对结构的安全、经济性影响重大。应通过结构合理分析比较，综合考虑多方面因素对连梁变形能力、破坏形式和耗能能力的影响，并在保证“强剪弱弯“的原则同时合理控制连梁的刚度。

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》中国建筑工业出版社.JGJ3-2010.

[2]《建筑抗震设计规范》中国建筑工业出版社.GB50011-2010 .

[3]《建筑结构设计问答及分析》朱炳寅.北京：中国建筑工业出版社， 2009 .

[4]《高层建筑混凝土结构技术规程理解与应用》徐培福，黄小坤.北京：中国建筑工业出版社2003.03