高層建筑連梁設(shè)計(jì)和分析

趙 鵬

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030013)

1 連梁的概念及特性

連梁是指在剪力墻結(jié)構(gòu)和框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中連接剪力墻與剪力墻、剪力墻與框架柱且跨高比小于5的梁。連梁往往受建筑設(shè)計(jì)的限制具有跨度小，截面大，在水平力作用下與之相連的構(gòu)件剛度大，容易出現(xiàn)剪切斜裂縫等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)即使采取各種措施如:減小連梁高度;在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)對(duì)連梁剛度進(jìn)行折減;提高混凝土強(qiáng)度等級(jí);增加墻厚從而增加連梁的截面寬度等，仍無(wú)法保證全部連梁設(shè)計(jì)符合要求。連梁的設(shè)計(jì)、構(gòu)造不當(dāng)又將會(huì)造成結(jié)構(gòu)在抵抗水平力時(shí)的強(qiáng)度、剛度不能達(dá)到要求，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的豎向承載力。

2 連梁的工作機(jī)理

高層建筑在風(fēng)荷載和地震荷載的水平力作用下，墻肢彎曲變形，使梁端產(chǎn)生一定的角度，連梁由此產(chǎn)生內(nèi)力。同時(shí)連梁產(chǎn)生的內(nèi)力又對(duì)與之相連的墻肢起到了約束作用，使其能夠保持足夠的剛度和強(qiáng)度，從而減小墻肢的內(nèi)力和變形，改善其受力狀態(tài)。

3 連梁的破壞機(jī)制

高層建筑中連接墻肢的連梁在風(fēng)荷載和地震荷載作用下的破壞分為兩種:脆性破壞(剪切破壞)和延性破壞(彎曲破壞)。

1)連梁在發(fā)生脆性破壞時(shí)，與之相連的墻肢形成單片墻，喪失了連梁對(duì)其的約束作用，使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度減小，墻肢彎矩增大，最終導(dǎo)致喪失承載力。因此剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要求墻肢和連梁均不發(fā)生脆性破壞，同時(shí)要求連梁的屈服應(yīng)該早于墻肢的屈服，具有良好的延性并且滿足強(qiáng)剪弱彎的要求。2)連梁在發(fā)生延性破壞時(shí)，梁端出現(xiàn)裂縫，形成塑性鉸，連梁的屈服早于墻肢的屈服，致使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度減小，變形加大，從而可以吸收更多的地震能量。同時(shí)連梁對(duì)墻肢仍能起到一定的約束作用，通過(guò)塑性鉸傳遞部分彎矩和剪力(這個(gè)彎矩往往是足夠承擔(dān)連梁跨度內(nèi)的荷載)，使墻肢保持足夠的剛度和強(qiáng)度，減少墻肢內(nèi)力，延緩墻肢屈服。連梁具有約束墻肢、增大墻肢剛度和強(qiáng)度，承受和傳遞彎矩、剪力的作用?？紤]到連梁在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的重要作用，對(duì)其提出了特殊設(shè)計(jì)要求:1)在小震和風(fēng)荷載正常作用狀態(tài)下，不能產(chǎn)生裂縫;2)在中震作用下應(yīng)首先出現(xiàn)彎曲屈服，起到消耗地震能量的作用;3)在大震作用下，可能出現(xiàn)剪切破壞。

4 連梁的超筋問(wèn)題及措施

在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，構(gòu)件一般考慮按彈性計(jì)算，此時(shí)墻肢的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于連梁的剛度，在水平力作用下墻肢稍微有所變形，連梁就會(huì)承擔(dān)極大的彎矩和剪力，最終導(dǎo)致連梁先出現(xiàn)開(kāi)裂發(fā)生破壞，因此在實(shí)際工程中必須保證連梁的延性要求，滿足強(qiáng)剪弱彎的原則，使之成為抗震的第一道防線。當(dāng)剪力墻連梁不滿足截面控制條件要求時(shí)，可采取如下措施處理:1)減少連梁截面高度。根據(jù)計(jì)算我們可以得知，如果連梁截面越大，剛度則越大，越容易超筋。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》6.4.7對(duì)跨高比較小的高連梁，可設(shè)水平縫形成雙連梁、多連梁的構(gòu)造。連梁截面高度減小，則連梁抗彎剛度減小，故水平荷載作用下的梁端彎矩減小，在連梁跨度不變的情況下梁端的剪力也會(huì)減小。2)增加剪力墻厚度。一方面墻厚的增加使結(jié)構(gòu)整體剛度增大，水平力作用下的內(nèi)力也隨之增加;另一方面相應(yīng)的增加連梁截面寬度并使其受剪承載力得到提高。而地震作用分配給該片剪力墻的內(nèi)力小于墻厚增加的比例。加大連梁截面寬度雖有一定的效果，但可能影響到建筑的使用功能。3)提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)。使得混凝土受剪承載力提高的比例大于結(jié)構(gòu)增加的地震作用效應(yīng)。4)對(duì)連梁進(jìn)行剛度折減。由于連梁在結(jié)構(gòu)中的獨(dú)特性能，在風(fēng)荷載和地震荷載作用下的內(nèi)力很大，因此為了減小連梁內(nèi)力，需在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)對(duì)其進(jìn)行剛度折減。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2010版)6.2.13規(guī)定，在實(shí)際設(shè)計(jì)中我們可取大于0.50的調(diào)整系數(shù)，以符合截面設(shè)計(jì)的要求。在滿足結(jié)構(gòu)整體剛度的前提下，上述措施中可先考慮折減連梁剛度的方法，如果不能解決問(wèn)題時(shí)可考慮其余措施進(jìn)行處理。

5 連梁的設(shè)計(jì)及構(gòu)造要求

1)剪力墻開(kāi)洞形成的跨高比小于5的梁，應(yīng)按連梁設(shè)計(jì)，此梁均應(yīng)取與剪力墻相同的抗震等級(jí)，且剪力墻洞口宜上下對(duì)齊，洞口邊端柱不宜小于300 mm。當(dāng)連梁跨高比不小于5時(shí)，此梁受力狀況和一般框架梁相似，故宜按框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。2)剪力墻結(jié)構(gòu)和部分框支剪力墻中，剪力墻不宜過(guò)長(zhǎng)，較長(zhǎng)的剪力墻宜設(shè)置跨高比較大連梁，將一道剪力墻分成長(zhǎng)度均勻的若干墻段，各墻段的高度與墻段長(zhǎng)度之比不宜小于4，墻段長(zhǎng)度不宜大于8 m。3)連梁的剛度折減依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》6.2.13規(guī)定不宜小于0.5。4)連梁的剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》7.2.22規(guī)定。5)連梁的斜截面受剪承載力應(yīng)符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》7.2.23規(guī)定。6)跨高比不大于1.5和大于1.5的連梁縱向鋼筋的最小配筋率應(yīng)分別符合圖集《建筑物抗震構(gòu)造詳圖》11G329-1第39頁(yè)表43和表44的規(guī)定。并要求連梁上下邊緣單側(cè)縱向鋼筋的最小配筋率不應(yīng)小于0.15%，且配筋不宜少于2，12。7)連梁縱向鋼筋的最大配筋率應(yīng)符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》7.2.25規(guī)定。8)連梁配筋構(gòu)造應(yīng)符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》7.2.27規(guī)定。9)各類結(jié)構(gòu)中，樓面主梁不宜支承在剪力墻洞口的連梁上，但為了滿足設(shè)計(jì)需求必須設(shè)置在連梁上時(shí)，應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)該連梁配筋。10)根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》7.2.26.3規(guī)定，假定連梁在大震下破壞，不再對(duì)墻肢起到約束作用，可考慮連梁不參與工作。11)連梁出現(xiàn)超筋超限時(shí)，可根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)措施》附錄G進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。12)對(duì)于一、二級(jí)抗震等級(jí)的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)及筒體結(jié)構(gòu)連梁，當(dāng)跨高比不大于2.5且需采用交叉筋或?qū)前祿螘r(shí)，連梁構(gòu)造詳見(jiàn)《建筑物抗震構(gòu)造詳圖》11G329-1第4頁(yè)～第5頁(yè)、第4頁(yè)～第6頁(yè)。

6 結(jié)語(yǔ)

連梁設(shè)計(jì)作為剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，受內(nèi)力、剛度等很多因素的制約，所以應(yīng)當(dāng)首先了解其工作機(jī)理及特性，并從概念設(shè)計(jì)的需要和可能，在滿足各項(xiàng)要求的情況下對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。

［1］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］建筑物抗震構(gòu)造詳圖11G329-1［Z］.

［4］北京市建筑設(shè)計(jì)研究院.建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)措施［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［5］高立人.高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2005.

［6］方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［7］王志全.高層建筑剪力墻中的連梁設(shè)計(jì)［J］.山西建筑，2007，33(31):79-80.

［8］徐 建.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見(jiàn)及疑難問(wèn)題解析［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.