剪力墻結(jié)構(gòu)中框架梁與連梁的區(qū)別及在結(jié)構(gòu)模型中的運用

王 星

(新疆石河子建筑規(guī)劃設(shè)計研究院(有限公司)，新疆 石河子 832000)

0 引言

在鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，很多結(jié)構(gòu)設(shè)計者因?qū)ν瑸闄M向受力構(gòu)件的框架梁和連梁概念相互混淆，進而因執(zhí)行了錯誤的理論和模型模擬，對結(jié)構(gòu)計算產(chǎn)生非常大的差異，從而造成工程造價偏高，更有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)存在安全隱患。本文通過現(xiàn)有理論研究對框架梁和連梁的破壞形態(tài)區(qū)別、概念及計算區(qū)別分別進行闡述，并通過對目前在運用中最為廣泛的建筑結(jié)構(gòu)計算軟件PKPM的應(yīng)用，通過比較兩個不同構(gòu)件單元在實際模型計算設(shè)計中的建模、計算及結(jié)果反映等做一總結(jié)，使讀者對兩者的區(qū)別有系統(tǒng)的認識。希望對初學(xué)者及兩者概念模糊的結(jié)構(gòu)設(shè)計者有所幫助。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)中框架梁和連梁的破壞區(qū)別

(1)連梁起著調(diào)節(jié)和保證與之平面內(nèi)相連剪力墻的側(cè)向剛度的作用，是抗震剪力墻結(jié)構(gòu)中第一道抗震防線，起著消耗地震能量的作用。具有足夠強度、剛度和良好變形性能的連梁的剪力墻，在遭受強烈地震時，多數(shù)連梁在墻肢屈服之前先屈服，從而發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的塑性變形能力?；谶B梁上述特點，在實際工程中，當(dāng)具有連梁相連的剪力墻受到設(shè)計極限承載力時連梁多發(fā)生剪切破壞。

(2)框架梁由于跨高比較大，其變形以彎曲變形為主，受彎效應(yīng)大于受剪效應(yīng)，構(gòu)件以發(fā)生彎曲破壞為主。

2 框架梁和連梁在概念定義上的區(qū)別

一般認為：與兩側(cè)剪力墻平面內(nèi)相連，跨高比＜5，且兩側(cè)剪力墻長度能滿足梁縱筋錨入墻內(nèi)的長度≥LaE(抗震設(shè)計時的錨固長度)的梁，實際模擬中按連梁考慮，因為此時的橫向受力構(gòu)件無論從自身剛度還是與兩側(cè)平面內(nèi)相連的剪力墻受力變形協(xié)調(diào)來看都與第二條描述的連梁破壞特點相似；與之相反，當(dāng)跨高比≥5時，因為構(gòu)件較“柔”，不能達到連梁所期望的效果，多按框架梁考慮。實際運用中，除上述界定框架梁和連梁外，如為連梁還需滿足梁高度≮400 mm。

3 框架梁和連梁理論計算公式，系數(shù)調(diào)整及構(gòu)造上的區(qū)別

在抗震設(shè)計時，允許連梁的剛度有大幅度的降低，在某些情況下甚至可以讓其退出工作，但是框架梁的剛度只允許有限度的降低，且不允許其退出工作，所以規(guī)范有對連梁剛度進行折減的規(guī)定，并且規(guī)定次梁是不宜搭在連梁上的(即次梁以框架梁為支座)，而次梁是可以搭在框架梁上的。一般說來連梁的跨高比較小(小于5)，以傳遞剪力為主，所以規(guī)范對連梁在構(gòu)造上作了一些與框架梁不同的規(guī)定：一是要求連梁的箍筋是全長加密而框架梁可以分為加密區(qū)和非加密區(qū)，二是對連梁的腰筋作了明確的規(guī)定即“墻體水平分布鋼筋應(yīng)作為連梁的腰筋在連梁范圍內(nèi)拉通連續(xù)配置；當(dāng)連梁截面高度大于700mm時，其兩側(cè)面沿梁高范圍設(shè)置的縱向構(gòu)造鋼筋(腰筋)的直徑不應(yīng)小于8 mm，間距不應(yīng)大于200 mm；對跨高比不大于2.5的連梁，梁兩側(cè)的縱向構(gòu)造鋼筋(腰筋)的面積配筋率不應(yīng)小于0.3%”，而框架梁的腰筋只要滿足“當(dāng)梁的腹板高度hw≥450 mm時，在梁的兩個側(cè)面應(yīng)沿高度配置縱向構(gòu)造鋼筋，每側(cè)縱向構(gòu)造鋼筋(不包括梁上、下部受力鋼筋及架立鋼筋)的截面面積不應(yīng)小于腹板截面面積bhw的0.1%，且其間距不宜大于200 mm。

在進行抗震設(shè)計時，框架梁和連梁的受彎，受剪計算公式基本相同，但是受剪截面限制條件又有一定的區(qū)別：依據(jù)新版《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)對于框架梁和連梁受剪截面計算公式均有跨高比＞2.5和跨高比≤2.5之分，并且各抗震等級的框架梁和三、四級抗震等級的連梁計算公式是相同的：(以下公式引用規(guī)范為新版GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》)

考慮地震組合的矩形、T形和I形截面框架梁，當(dāng)跨高比大于2.5時，其受剪截面應(yīng)符合下列條件：

抗震等級為三、四級的連梁受剪截面限制條件同上述兩公式，詳見該規(guī)范11.7.9-1式及11.7.9-3式，而對于一、二級抗震等級的連梁，當(dāng)跨高比不大于2.5且連梁寬度≮250 mm時，其截面限制條件式將11.3.3-2式中的0.15改為0.25。此外，對于框架梁和連梁的斜截面受剪承載力對截面限制條件亦不相同，這點從式11.3.4及11.7.9-4，11.7.10-2也可以看出。

4 在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，分別按框架梁和連梁在模型中的輸入，比較結(jié)果

在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如何才能正確模擬框架梁和連梁的破壞形態(tài)，做到理論與實際接近，而模擬輸入時又能符合理論，正是每個結(jié)構(gòu)設(shè)計者最關(guān)心、要解決的問題，現(xiàn)以應(yīng)用最廣泛的PKPM系列建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件對此問題做些探討。

4.1 框架梁和連梁在建模時的輸入方式對比

按梁輸入是指將要輸入的連梁按框架梁定義，先布置剪力墻，然后在墻間以框架梁的方式布置梁；而按連梁輸入是指先布置整片墻，再根據(jù)連梁位置布置洞口，這時會在洞口上方形成梁。需注意的是：按框架梁輸入的梁可在SATWE前處理信息中的“特殊構(gòu)件”定義中修改梁信息使之成為連梁；而按連梁方式輸入的梁卻不可修改成框架梁，即此種方式輸入是不可逆。

4.2 框架梁和連梁不同輸入時軟件計算方法的對比

在PKPM軟件中，當(dāng)構(gòu)件按框架梁構(gòu)件輸入時，SATWE程序在結(jié)構(gòu)分析模型的簡化中，將梁、柱、支撐(包括斜柱、斜梁等)均作為一維構(gòu)件，采用兩端帶剛臂的空間桿單元來模擬其受力狀態(tài)，在其空間桿單元剛陣中考慮了剪切變形的影響，在處理桿單元和殼單元的連接時，程序通過增加罰單元來近似模擬沿梁高方向的梁、墻變形協(xié)調(diào)(但并非完全協(xié)調(diào))；

而按連梁 (墻體開洞形式形成連梁)輸入時，SATWE程序采用殼單元模擬剪力墻，對于尺寸較大的剪力墻或帶洞的剪力墻按照子結(jié)構(gòu)的基本思想，由程序自動對其進行細部劃分，形成若干小殼元，然后計算；此時，連梁作為剪力墻的一部分，和剪力墻一起按四節(jié)點等參殼元進行單元剖分和內(nèi)力計算，如果梁、墻相交處單元形式相同，則連梁在墻、梁交界處變形完全協(xié)調(diào)。

由此兩種構(gòu)件在計算中作為不同單元，在SATWE計算模擬的過程中也可看出：用空間桿單元輸入連梁的剛度要小于用墻元來輸入開洞形成連梁的剛度，從結(jié)構(gòu)位移整體的角度來看按墻體開洞形成連梁輸入對結(jié)構(gòu)的整體變形更為有利，但同時，我們也要認識到此種輸入方法又因連梁剛度較大，承擔(dān)地震剪力大于按梁輸入方式而造成抗剪計算不易滿足。

5 結(jié)語

只有理解了框架梁和連梁的概念理論和實際破壞形態(tài)，以及在公式定義，參數(shù)調(diào)整和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的區(qū)別，設(shè)計者才會對兩者引起重視，在計算模型中的輸入分別加以區(qū)分，根據(jù)實際情況選擇合適的模擬輸入對象；同時，只有在設(shè)計實踐中合理的進行模型簡化和輸入才能得到更符合實際的計算分析數(shù)據(jù)，這兩者之間是相輔相成的。以上討論是筆者在結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中對剪力墻結(jié)構(gòu)的一些理解認識，不足之處還請批評指正。

[1]司馬紅亞.剪力墻結(jié)構(gòu)模型連梁按洞口輸入和按梁輸入的結(jié)果分析及合理運用[J].PKPM新天地,2010(1).

[2]朱杰江,錢曉康.雙肢剪力墻有限元計算模型的研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2011(4).

[3]GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

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