连梁在抗震设计中剪压比超限问题的探讨

摘 要：文章分析了剪力墙中因连梁变化而带来的连梁和墙肢的相互影响，并针对抗震设计中经常遇到的连梁剪压比超限原因进行分析，提出处理方案，以供类似工程参考。

关键词：剪力墙连梁；剪压比超限

中图分类号：TU398.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）29-0140-02

钢筋混凝土剪力墙结构，框剪结构以及筒体结构等结构体系中，剪力墙是普遍存在的构件。结构布置中，常采用剪力墙开洞（设置连梁）的方式使剪力墙具有延性以满足建筑专业要求。连梁的布置会明显影响剪力墙以及整个结构的力学性能。在地震作用下，连梁的存在将分担一部分水平力在剪力墙中的弯矩，而分担的此部分弯矩又在连梁上产生剪力。结构设计中，常遇到连梁超筋超限的问题，特别是连梁剪压比超限的问题。本文将通过理论分析并结合工程实践对连梁和墙肢的相互影响以及自身超限的原因和对策进行探讨。

1 水平地震作用下连梁和墙肢的相互影响

图1a所示为一长矩形截面的不开洞整体剪力墙，分析表明：水平荷载作用下墙肢的受力如同悬臂构件，沿墙肢的高度方向上弯矩图形下大上小，为一抛物线且不出现反弯点。截面上的压力一端受拉，一端受压，呈线性。

图1b将上面的剪力墙沿中间位置上下对齐，洞口较大，且连梁高度不大。显然墙肢的刚度相比于连梁大很多，由于连梁的约束刚度很弱，把它想象成铰接于墙肢上的连杆，连杆的轴压力为一半的楼层水平力。每个墙肢相当于一个独立悬臂构件（弯矩图形状同图a）。这种情况，可以认为开洞后的墙肢为独立的剪力墙墙肢，连梁为弱连梁。

图1c将图1a所示的剪力墙仍沿中间位置上下对齐，规则开洞，但洞口开的较小，连梁刚度相对于墙肢较大，此时，剪力墙沿竖向弯矩线发生较大地变化，变为锯齿状，明显看出，在楼层处由于连梁的作用，墙肢弯矩发生突变，此部分弯矩将由连梁承担。连梁对墙肢的约束很强。

图1d在图1c的基础上把洞口开大开高，开洞大小介于图1b和图1c之间，连梁刚度和墙肢刚度的比值介于图1b和图1c之间，可以看出剪力墙沿竖向弯矩线仍然发生变化，但在某些高楼层会出现反弯点。连梁对墙肢的有一定的约束。

图1e将剪力墙洞口开的很大，使连梁与墙肢刚度接近。（按一榀框架理解），则两个墙肢不仅在楼层处有突变，而且在大多数楼层出现反弯点，整个开洞剪力墙的受力性质和框架相似。

通过以上图例分析可以看出，连梁的改变对墙肢刚度和力学性能起很大的影响。作为概念设计的第一道防线，连梁的存在将分担一部分水平力在剪力墙中的弯矩，此部分弯矩又在剪力墙上产生剪力。内力的存在必将带来在连梁设计中出现受弯超限和受剪超限的问题。总体上讲，受弯超限的调整不会有太大的问题，这里不做重点讨论。下面将结合以上图例的分析，重点对剪力墙中连梁的受剪超限做进一步探究。

2 连梁抗剪截面超限的处理

抗震设计中，连梁抗剪截面超限主要表现为平均剪应力不能满足规范要求。连梁截面的平均剪应力大小对连梁的破坏性能影响较大，尤其在小跨高比（图1c情况）的条件下，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（斜压破坏），脆性破坏特征明显。根据大量工程的经验，结合规范的建议，下面讨论设计中遇到连梁抗剪截面超限问题时常采用的几种处理方法。

2.1 连梁刚度的折减

这是规范推荐和设计中最常用的方法，目的是为了降低梁端弯矩设计值，形成塑性铰，从而控制其实际的弯矩和剪力值。在平均剪应力超限不多的情况下，通过连梁折减可取的较好的效果。当连梁跨高比较大时，或重力荷载和风荷载产生的效应比地震效应明显时，刚度不应折减，以防止塑性铰和裂缝的过早开展对竖向承载力产生影响，甚至在风荷载作用下出现较大的裂缝。

由于连梁刚度的折减对结构整体刚度有较大的影响，且是以裂缝的提前开展为代价，所以结构中不同部位的连梁宜根据不同的情况取不同的折减系数使结构设计更加合理，但目前的计算程序尚无连梁刚度分别取值的功能，有待改进。在结构设计中，有些工程师为了利用连梁刚度来满足位移角要求，在连梁满足计算要求前提下，人为的增大刚度折减系数或者干脆不折减。从抗震概念设计的角度分析，这是不可取的，在地震作用下，连梁作为第一道防线的耗能构件，是要先于其他构件屈服的，这样才有利于耗散地震能量。

2.2 增加连梁的宽度

连梁加宽后，连梁的刚度和截面抗剪承载力成线性增加，连梁的内力虽有增长，但内力增长的比例远小于抗力的增长，也就是说宽度的增加，截面的平均剪应力迅速降低。这种方法的另一优势是，相比于增加梁高，增加梁宽所带来的刚度影响较小，在结构优化时，设计者容易控制因连梁的改变而带来的其他构件和总体信息的影响。这种做法无疑受到设计人员的欢迎。

但是这种做法也带来一些使用上和构造上的问题。首先，从使用角度上考虑，连梁宽度方向的突出必然会造成使用上和感官上的缺陷，特别是电梯井处的剪力墙，采用增加梁宽的方法时，一定要慎之又慎。其次，连梁和剪力墙的连接问题：这种情况，设计人员一般要求连梁的钢筋应伸至远端锚固，会造成在远端设置厚度同梁宽的端柱以保证连梁和墙体间的内力传递。端柱的存在势必又影响了建筑的使用功能。

2.3 改变连梁的高度

高规推荐的方法是减小连梁的高度，目的是为了减小连梁的刚度和内力。但是不是减小了梁高，剪压比超限的问题就能迎刃而解呢？在实际的设计过程中，这一点往往做不到。通过大量的工程设计发现，一味地减小梁高并不能达到预期的目的。随着梁高的减小，截面的抗剪承载力也相应地降低。通过一些工程的比较可以看出，截面抗剪承载力降低的比例甚至要大于剪力减小的比例。另外，连梁的高度过小，墙体的整体刚度和耗能性能必然受到影响，所以并不是十分妥善的方案。

那如果在减小连梁高度的方法行不通的情况下，能否通过增加连梁的高度来解决连梁剪压比超限的问题呢？通过几个工程实例的分析，增加连梁的高度后刚度迅速提高，对墙肢的约束增加，虽然连梁的抗剪承载力有所提高，但刚度的增加也导致连梁的剪力迅速增大。造成连梁剪压比超限的问题亦无法解决。v和h的同时增大或减小，其剪压比如何变化？减小还是增大？其结论并不是简单直观就可以得到的。实际上，连梁高度的改变造成对其剪压比的走势是十分复杂的，这也是解决连梁剪压比超限的难点之处。没有明确的分析和比较，就难以避免走弯路，甚至适得其反。

2.4 增加连梁的跨高比

第2.3点的分析得出，增加或减小连梁的高度，很难从根本上解决连梁剪压比超限的问题。这时，如果试图在连梁高度变化不大的情况下采用加大剪力墙洞口的宽度，可能将会产生意想不到的效果。特别是将跨高比提高到大于2.5（因为规范对剪压比的限值，跨高比2.5是个分界点。但从概念设计角度来讲，不建议玩这种文字游戏）。跨高比的增加，使本剪力墙从图1c情况向图1d的趋势发展，本片剪力墙吸引的刚度将大大减小的同时，连梁承担的弯矩也大大减小。连梁的剪压比超限的问题将得到解决，但也带来一些其他方面的改变：结构的整体刚度将大大减小，结构的周期、刚心、位移比等将改变；由于本片剪力墙刚度的减小，其他的抗侧力构件承担的水平地震剪力将增加。

2.5 连梁的铰接处理

当按以上方法均无果时，可以考虑采用《高规》的方法“当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时，可按独立墙肢的计算简图进行第二次多遇地震作用下的内力分析，墙肢截面应按两次计算的较大值计算配筋”。本方法的基本思路是假定连梁在大震作用下剪切破坏，对剪力墙按独立墙肢进行第二次多遇地震下的分析（为减小结构计算的工作量可将连梁按两端铰接处理，类似图1b的情况），墙肢配筋取两次计算的大值（一般情况下，连梁铰接处理后，墙肢的内力和配筋的计算结果会变大）。但此方法调整亦存在商榷之处：按独立墙肢进行二次多遇地震作用的内力分析时，是认为连梁对剪力墙的约束作用完全失效。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”。

按照此种方法，规范固然明确了剪力墙的计算和配筋方法。但是，对于连梁的设计方法规范却未明确。对上述的连梁，应根据剪压比的限值来确定设计剪力，并按强剪弱弯的要求反算设计弯矩。以确保连梁有较大的承载能力。

3 结 语

①由于结构的复杂性和多样性，连梁对结构的影响并不像单片墙那么简单，随着结构形式的不同，联肢墙在结构中的比例不同，位置不同，连梁对结构的影响以及结构对连梁的影响将发生很大的变化。设计人员应概念清晰，应根据具体的工程多比较多分析。针对不同的情况采取不同的措施。

②对于连梁剪压比超限的问题，设计人员应足够重视，在注重概念设计的前提下进行理论分析，并采取合适的措施。

参考文献：

[1] GB50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[2] JGJ3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3] 张维斌.多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例.[M]北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4] 黄锐.剪力墙连梁在高烈度区抗震设计中若干问题的讨论[J].建筑结构，2009，（4）.