关于高层建筑剪力墙连梁设计的探讨

摘要：剪力墙由于其较好的抗震性能，近年来在高层、超高层中得到愈来愈广泛的应用。本文作者从连梁截面设计及配筋计算、连梁设计措施、连梁的构造要求三方面探讨了高层建筑剪力墙连梁的设计，以供各位同仁参考。

关键词：高层建筑；剪力墙；连梁设计

Abstract: Due to the good aseismic performance, in recent years, the shear wall is more and more widely used in high-rise building and ultra-high buildings. The author discusses the design of coupling beam in shear wall of high-rise buildings from section design and reinforcement calculation, coupling beam design measures, and structural requirement of coupling beam, proving reference for colleagues.

Key words: high-rise building; shear wall; coupling beam design

中图分类号：TU972+.3 文献标识码：A

剪力墙结构中的连梁受到弯矩、剪力和轴力的共同作用，容易发生延性破坏(弯曲破坏)和脆性破坏(剪切破坏)。剪力墙洞口连梁既起着调节和保证剪力墙侧向刚度的作用，又是抗震剪力墙的第一道防线，起着消耗地震能量的作用。具有合适强度、刚度和良好变形性能的连梁的剪力墙，在遭受强烈地震时，多数连梁在墙肢屈服之前先屈服，发挥其塑性变形能力，耗散地震能量有效减轻主体结构构件的损坏。

一、连梁截面设计及配筋计算

(1) 连梁是对剪力墙结构抗震性能影响较大的构件，提高连梁延性的主要措施是控制连梁的剪压比，其次是多配一些箍筋。剪压比是主要因素，箍筋的主要作用是限制裂缝开展，推迟混凝土的破碎，推迟连梁破坏。如果平均剪应力过大，在箍筋充分发挥作用之前，连梁就会发生剪切破坏。根据清华大学及国内外试验研究得到：连梁截面内平均剪应力对连梁破坏性能影响较大，尤其是在小高跨比条件下，因此规程对截面尺寸提出要求，限制截面平均剪应力，对小高跨比连梁限制更严格。

1)非抗震设计

(1)

2)抗震设计

连梁跨高比大于2.5时：

(2)

连梁跨高比小于2.5时：

(3)

其中， 为连梁剪力设计值； 为连粱截面宽度； 为连梁截面有效高度; 为混凝土强度影响系数； 为混凝土轴心抗压强度设计值； 为构件承载力抗震调整系数。

(2)连梁截面验算应包括正截面受弯及斜截面受剪承载力两部分。受弯承载力与梁相同，规程没有另列条文，由于一般连梁都是对称配筋，可按双筋截面验算，受压区很小，通常用受拉钢筋对受压钢筋取矩，就可得到受弯承载力。斜截面受剪承载力是连梁截面验算中的重要部分，其中要特别注意剪力设计值应经过调整增大，以保证连梁的强剪弱弯，计算如下：

1)非抗震设计。

（4）

2)抗震设计。

连梁跨高比大于2.5时：

（5）

连梁跨高比小于2.5时：

（6）

其中， 为混凝土轴心抗拉强度设计值； 为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；为箍筋抗拉强度设计值；S为沿构件长度方向的箍筋间距。在连梁的配筋中，设计者大多采用调整其纵筋和箍筋比率或增大配筋量的方法来满足设计要求，然而研究表明，这样做并不能改变其剪切脆性破坏的属性．且用钢量明显增加。因此建议采用菱形配筋方式。

二、连梁设计措施

2.1 强剪弱弯的原则

(1)对连梁弯矩及剪力进行塑性调幅，以降低其剪力设计值。在剪力墙结构巾，与连梁相连的墙肢刚度大，梁两端的变位差很大，梁剪力就很大，因此，可考虑存不影响其承受竖向荷载能力的前提下允许其适当开裂，而把内力转移到墙体，可以在开始进行结构整体计算时就对连梁刚度进行折减。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第5.2.1条规定：“在内力与位移计算中抗震设计的，在框架一剪力墙或剪力墙结构中的连梁的刚度可予以折减，折减系数不宜小于0.5”。通常，设防烈度低时可以少折减，6度、7度时可以取0；7，8度、9度时可取0.5。也可在内力计算后再将连梁弯矩和剪力进行折减。这两种方法的目的都是要减少连梁内力和配筋，无论采用哪种方法，连梁调幅后的弯矩和剪力设计值都不应低于使用状况的值，也不宜低于比设防烈度低1度的地震组合所得的弯矩设计值，以避免在正常使用状况或小震作用下连梁开裂。

(2)增加剪力墙厚度，增加洞口的宽度。增加剪力墙厚度(在保证结构形心和重心重合满足要求的情况下)，这样使连梁的截面宽度也同时增加。这样，一方面由于结构整体刚度加大，地震产生的内力也随着刚度加大而增加；另一方面，连梁的受剪承载力与宽度的增加成正比，由于该片的墙厚增加，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，因此也有可能使连梁的受剪承载力满足要求。或增加洞口的宽度，增大连梁的跨高比，这样连梁刚度就会减少，或在不至造成短肢剪力墙的情况下增加洞口数量。这样，剪力墙结构整体刚度就会减少，结构吸收的地震力也就减少了；地震作用的影响减少，连梁的承载力也就满足要求了。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。调整的幅度不宜大于20％，否则连梁截面上的平均剪应力超过限值时，若加大截面高度，一般会使作用在连梁上的剪力更大，反而更不利。

2.2 基于概念的连梁设计措施

1)抗风结构(非抗震结构)可以用加大连梁尺寸的方法提高连梁刚度，从而增大联肢剪力墙的刚度，以满足结构抗侧刚度的要求，计算时，连梁刚度不宜折减，内力也不宜调幅。而抗震结构不宜用加大连梁尺寸的方法提高剪力墙刚度，相反，开洞剪力墙中的连梁宜较小，如结构刚度不足，可采用其他方法增加结构总刚度。

2)抗震结构要考虑弹塑性性能以抵抗中震和大震，因此不宜采用刚度很大的连梁，不宜设计类似整体悬臂(整体小开口剪力墙)的联肢剪力墙，联肢剪力墙的整体系数宜小于10，也不宜设计配筋很多的连梁，应通过连梁弯矩调幅设计强墙弱梁的延性剪力墙。

3)当剪力墙长度很大时，可以开一个大洞口，减小梁高，形成相对刚度较小的连梁，即采用“弱连梁”将剪力墙分割成长度较小的墙(每一段墙可以是联肢剪力墙，也可以是独立墙肢等)，“弱连梁”对墙肢约束弯矩很小，整体系数不大于1的连梁属于弱连梁，计算时弱连梁的刚度也不宜折减。

4)抗震剪力墙可通过连梁内力调幅降低连梁弯矩，但调整后的连梁弯矩不能低于风荷载下的连梁弯矩，也不能低于小震下的连梁弯矩。

5)跨高比小于2.5的连梁多数出现剪切破坏，为避免脆性剪切破坏，采取的主要措施是控制剪压比和适当增加箍筋数量。

6)为了限制连梁截面剪压比，应当控制连梁的受弯钢筋数量，受弯钢筋不超过最大配筋率，也不小于最小配筋率。

7)当连梁破坏对承受竖向荷载没有很大影响时，在大震作用下，允许连梁剪切破坏，按照多道设防的概念设计联肢剪力墙。

8)核心筒的连梁或框筒结构中的深梁可以采用交叉斜撑配筋，以改善连梁的延性性能。

三、连梁的构造要求

剪力墙结构的连梁，一般情况下跨高比较小，剪切变形较大，故连梁的纵向受力钢筋、箍筋和腰筋的设置应妥善处理。

1)连梁的顶面、底面纵向受力钢筋伸入墙肢内的锚固长度 ，抗震设计时不小于 ，非抗震设计时不应小于 ，且不应小于600mm。

2)抗震设计时，沿连梁全长箍筋的构造应按框架梁梁端加密区箍筋的构造要求采用；非抗震设计时，沿连梁全长的箍筋直径不应小于6mm，间距不应大于150mm。

3)顶层连梁的纵向钢筋伸入墙肢内的长度范围内，应配置间距不大于150mm的构造箍筋，箍筋直径应与该连梁的箍筋直径相同。

4)墙肢的水平分布钢筋，应作为连梁的腰筋，在连梁高度范围内拉通连续配置；当连梁截面高度大于700mm时，其两侧面沿梁高度范围设置的纵向构造钢筋(腰筋)的直径不应小于10mm，间距不应大于200mm；对跨高比不大于2.5的连梁，其两侧的纵向构造钢筋(腰筋)的面积配筋率不应小于13％。

四、结语

综上所述，高层建筑剪力墙结构中的连梁设计，常受到很多因素的制约，连梁的内力与结构抗侧力刚度、相连墙肢的刚度、连梁跨高比等因素有关。抗震结构还应考虑非弹性变形阶段，连梁是首先屈服的构件，应调整内力，避免剪力墙在弯曲屈服前出现剪切破坏，控制好结构最终形成延性破坏的措施。上述均需要结构设计人员在不断的分析、协调、总结的基础上，才能取得比较满意的结果。

参考文献：

[1] JGJ 3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S]．

[2] GB 50011—2001，建筑抗震设计规范[S]．

[3] 彭伟．高层建筑结构设计原理[M]．成都：西南交通大学出版社．2004．

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。