高层剪力墙中连梁设计和配筋的建议

摘要： 在剪力墙结构和框架―剪力墙结构中,连接墙肢与墙肢,墙肢与框架柱的梁称为连梁。连梁一般具有跨度小、截面大,与连梁相连的墙体刚度又很大等特点。一般在风荷载和地震荷载的作用下,连梁的内力往往很大。此外,高层建筑中,由于连梁两端墙肢的不均匀压缩,会引起连梁两端的竖向位移差,这也将在连梁内产生内力。在设计时,即使采取降低连梁内力的各种措施,如:增大剪力墙的洞口宽度,在连梁中部开水平缝,在计算内力和位移时对连梁刚度进行折减、对局部内力过大层的连梁进行调整等,仍难使连梁的设计符合要求。基于这种情况,本文将提供连梁设计的几个建议,并且讨论连梁设计时的配筋。

关键词： 高层结构 连梁计算

中图分类号：TU208文献标识码： A

1连梁的工作和破坏机理

在风荷载和地震荷载作用下,墙肢产生弯曲变形,使连梁产生转角,从而使连梁产生内力。同时连梁端部的弯矩、剪力和轴力又反过来减少了墙肢的内力和变形,对墙肢起到了一定的约束作用,改善了墙肢的受力状态。高层建筑剪力墙中的连梁在水平荷载作用下的破坏可分两种,即脆性破坏 (剪切破坏)和延性破坏 (弯曲破坏)。连梁在发生脆性破坏时就丧失了承载力,在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时,各墙肢丧失了连梁对它的约束作用,将成为单片的独立梁。这会使结构的侧向刚度大大降低,变形加大,墙肢弯矩加大,并且进一步增加Ｐ―Δ效应 (竖向荷载由于水平位移而产生的附加弯矩),并最终可能导致结构的倒塌。连梁在发生延性破坏时,梁端会出现垂直裂缝,受拉区会出现微裂缝,在地震作用下会出现交叉裂缝,并形成塑性绞,结构刚度降低,变形加大,从而吸收大量的地震能量,同时通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力,对墙肢起到一定的约束作用,使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设计的建议

在墙肢和连梁的协同工作中,剪力墙应该具有足够的刚度和强度。在正常的使用荷载和风荷载作用下,结构应该处于弹性工作状态,连梁不应该产生塑性铰。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《建筑抗震设计规范》总则的要求,建筑物在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时,一般不损坏或不需修理可继续使用；当遭受相当于本地区设防烈度的设防地震时,可能发生损坏，但经一般性修理仍可继续使用；当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。因此,剪力墙的设计应该保证不发生剪切破坏,也就是要求墙肢和连梁的设计符合“强剪弱弯”的原则,同时要求连梁的屈服要早于墙肢的屈服,而且要求墙肢和连梁具有良好的延性。

因此在实际工程中要使连梁设计满足强剪弱弯的原则就必须考虑以下几个方面:

2.1关于连梁刚度的折减。连梁由于跨高比小,与之相连的墙肢刚度大等原因,在水平力作用下的内力往往很大,连梁屈服时表现为梁端出现裂缝,刚度减弱,内力重分布。因此在开始进行结构整体计算时,就需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 :“高层建筑结构地震作用效应计算时,可对剪力墙连梁的刚度可予以折减,折减系数不宜小于 0.50。”。一般在实际设计中我们在0.50~1之间取值,以符合截面设计的要求。

2.2增加加连梁跨度。在连梁设计中,刚度折减后,仍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,以减少连梁刚度。减少了结构的整体刚度,也就减少了地震作用的影响,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。调整的幅度不宜大于20%,且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。

2.3增加剪力墙厚度。亦即增加连梁的截面宽度,其结果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对连梁进行塑性调幅。连梁的塑性调幅可采用两种方法，一是在内力计算前就将连梁的刚度进行折减，见上述2.1；二是在内力计算之后，将连梁的弯矩和剪力组合乘以折减系数。两种方法的效果都是减少连梁的内力和配筋。无论用什么方法，连梁条幅后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况下的值，也不宜低于比设防烈度低一度的地震作用组合所得的弯矩、剪力设计值，其目的是避免正常使用条件下和较小地震作用下在连梁上出现裂缝。因此建议一般情况下，可掌握调幅后的弯矩不小于调幅前按刚度不折减计算的弯矩（完全弹性）的80%（6~7度）和50%（8~9度），并不小于风荷载作用下的连梁弯矩。需注意，是否“超限”，必须用弯矩调幅后对应的剪力进行验算。

2.6对连梁铰接处理。对承受竖向荷载无明显影响的连梁，可假定连梁在大震下剪切破坏，不再能约束墙肢，因此可考虑连梁不参与工作，而按独立墙肢进行第二次结构内力分析，它相当于剪力墙的第二道防线，这种情况往往使墙肢的内力和配筋加大，可保证墙肢的安全。第二道防线的计算没有连梁的约束，位移会加大，但是大震作用下就不必按小震作用要求限制其位移。

2.7地震区高层建筑的剪力墙连梁按“强剪弱弯”的要求,配置相应的纵向钢筋。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。

上述各种措施中,在能满足整体刚度的情况下,可先采用刚度折减,如仍超限可采用其余各种措施。注意内力计算时已经按规定降低了刚度的连梁，其弯矩值不宜再塑性调幅，或限制再调幅范围。

3连梁的配筋计算

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》,在连梁设计方面,对于连梁非抗震设计,抗震设计时跨高比大于2.5及小于2.5两种情况,在截面受剪承载力及配筋方面均有不同规定。

在结构计算时这类连梁往往发生受剪承载力的超限,这时可以将受力筋均匀布置,同时考虑到连梁以承载水平荷载为主,支座弯矩主要由水平荷载引起,在反复的水平荷载作用下支座截面上、下受拉筋面积相近,可以采用截面对称配筋。在连梁配筋中,配置平行筋往往导致斜向受拉破坏或由于箍筋过量而发生剪切滑移破坏,这些破坏将导致连梁的滞回曲线变坏,耗能能力下降。若采用菱形配筋方式,可以克服这些不足之处。

4连梁的配筋形式

实验研究表明，若连梁采用普通梁的配筋方式（纵向钢筋抗弯、竖向钢筋抗剪），其抗震性能稍差，只有在严格控制截面平均剪应力的条件下连梁才有可能有较好的延性。否则，即使做到“强剪弱弯”，也常常是在钢筋屈服后不久连梁就剪坏，延性很小。为了改善连梁的延性，可以采用斜角叉配筋形式（包括对角斜向钢筋和交叉暗撑），此种配筋，剪力传递是通过交叉钢筋的拉力和压力来实现的，混凝土裂缝对剪力的传递影响较小，因此可避免发生斜拉破坏和出现对角线交叉裂缝以及端剪切滑移，延性也大大改善。此外，在连梁中开水平缝减小其跨高比，也可改善连梁的延性。根据《混凝土结构设计规范》，当连梁跨高比不大于2.5时，除普通箍筋外宜另配置斜向交叉钢筋。

5结语

高层建筑剪力墙连梁的设计受很多因素的制约。连梁的内力和剪力墙的多少、每片剪力墙的水平力大小、连梁的刚度、与之相连的墙肢刚度等都有关。因此在设计时,问题是比较复杂的,设计时要把互相制约的因素统一协调,以取得比较理想的结果。

参考文献：

（1）国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011-2010.中国建筑工业出版社

（2）国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2010.中国建筑工业出版社

（3）国家标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010.中国建筑工业出版社

（4）《高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析》.朱炳寅.中国建筑工业出版社