對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁的認(rèn)識(shí)

任 遷

(大同市二院建筑設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，山西大同 037008)

1 概述

我國(guó)現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，特別是城市建設(shè)的發(fā)展，促使高層建筑在一些二三線城市已經(jīng)相當(dāng)普遍，城市中的高層建筑是反映這個(gè)城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)進(jìn)步的重要標(biāo)志，高層建筑結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)高層建筑是提高土地容積率的有效措施?，F(xiàn)代社會(huì)土地價(jià)格日益高漲，一些開發(fā)商為了獲取更大的利益只能提高容積率。在相同的建設(shè)場(chǎng)地中，建造高層建筑可以獲得更多的建筑面積，這樣可以解決城市用地緊張和地價(jià)高漲的問題。2)設(shè)計(jì)精美的高層建筑可以為城市增加景觀，提高城市形象。3)在建筑面積與建設(shè)場(chǎng)地面積相同比值的情況下建造高層建筑比多層能提供更多的空閑地面，這些地面用作綠化和休息場(chǎng)地，可以美化環(huán)境。4)高層建筑可以縮小城市的平面規(guī)模，縮短城市道路和各種管線的長(zhǎng)度，從而節(jié)約投資。

綜上所述，建造高層建筑利大于弊，合理的設(shè)計(jì)可以達(dá)到美化城市的效果。在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)高層建筑仍將是我國(guó)大部分城市建設(shè)中的主要建筑形式。這就要求我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員掌握高層建筑的作用機(jī)理更好地服務(wù)于社會(huì)。

2 連梁的特點(diǎn)、受力機(jī)理及破壞形態(tài)

眾所周知，剪力墻結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代商品住宅的主要形式，最早人們認(rèn)為這類結(jié)構(gòu)延性很差甚至沒有延性，但經(jīng)過研究和各種試驗(yàn)證明發(fā)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的延性。該結(jié)構(gòu)的延性主要通過連梁實(shí)現(xiàn)，連梁是高層建筑的剛度調(diào)節(jié)器，是高層建筑主要耗能構(gòu)件，是抗震設(shè)防的第一道防線，它的合理設(shè)計(jì)將為整幢建筑延性做出重大貢獻(xiàn)。所以我們來認(rèn)識(shí)一下連梁。

在剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻及框筒結(jié)構(gòu)中，連接墻肢與墻肢，墻肢與框柱的梁稱為連梁。連梁的特點(diǎn):截面大，跨度小，與之相連的墻體剛度一般都很大。在水平荷載(風(fēng)或地震荷載)作用下，連梁內(nèi)力也很大。同時(shí)在高層建筑中，連梁兩端墻肢的不均勻壓縮，會(huì)引起連梁兩端的豎向位移差，這個(gè)差值也會(huì)引起連梁內(nèi)力。

下面以雙肢墻為例說明連梁的受力機(jī)理:

離地面距離為X的某處某一水平截面處的彎矩為M，則由平衡條件可知:

由上述公式可見:1)任意截面X的彎矩M是由局部(M1+M2)和整體彎矩NA兩部分組成的，整體彎矩大，局部彎矩就小。2)任意一個(gè)截面上的整體彎矩等于該截面以上所有連梁約束彎矩的總和，因此可以說，整體彎矩由連梁提供;整體彎矩越大，說明兩個(gè)墻肢共同工作的程度越大，越接近于整體墻。所以整體彎矩的大小反映了墻肢之間協(xié)同工作的程度，這種程度稱為剪力墻的整體性。因?yàn)檎w彎矩是由連梁對(duì)墻肢的約束提供的，而連梁的剛度與洞口的大小有關(guān)，在水平荷載(地震或風(fēng)荷載)作用下，墻肢產(chǎn)生彎曲變形，使連梁產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，從而使連梁產(chǎn)生內(nèi)力，而連梁端部的彎矩、剪力和軸力同時(shí)減小了墻肢的內(nèi)力和變形，共同承擔(dān)墻肢總彎矩。下面我們?cè)倏匆幌逻B梁的破壞形態(tài)，高層建筑在水平荷載作用下，連梁的破壞形態(tài)有兩種:a.剪切破壞(脆性破壞);b.彎曲破壞(延性破壞)。連梁發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生十字交叉裂縫，喪失承載力，連梁退出工作，墻體總彎矩將內(nèi)力重分配，全部由墻肢承擔(dān)。各墻肢喪失了連梁對(duì)它的約束作用，成為單片的獨(dú)立墻肢，剛度大大降低，變形加大，并且進(jìn)一步加大墻肢的P—⊿效應(yīng)，從而導(dǎo)致墻體倒塌。連梁發(fā)生彎曲破壞即延性破壞后，梁端出現(xiàn)垂直裂縫，受拉區(qū)出現(xiàn)微裂縫，在梁端形成塑性鉸，結(jié)構(gòu)剛度降低，變形加大，從而吸收地震能量，但是塑性鉸能承受一定的彎矩和剪力，起到約束墻肢的作用，使剪力墻保持良好的剛度和強(qiáng)度，在這一過程中連梁起到耗能作用，在地震荷載作用下這種裂縫不斷加寬發(fā)展，直至混凝土受壓破壞。由此可見，連梁對(duì)剪力墻延性起到至關(guān)重要的作用。所以我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意連梁的處理。

3 連梁的合理級(jí)配問題

目前，有一些工程尤其是下部一至二層為商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)上部為剪力墻住宅，為降低工程造價(jià)不做轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，剪力墻開洞較大，均是跨高比大于5的框架梁，梁的剛度較小，結(jié)構(gòu)整體剛度也較小，地震作用也較小，這類結(jié)構(gòu)從現(xiàn)行規(guī)范條文來看沒有什么毛病，結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性也較好，但仔細(xì)分析這類結(jié)構(gòu)受力和變形特性接近框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)層數(shù)較多時(shí)對(duì)抗震是不利的，宜避免。合理剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)該是強(qiáng)弱連梁合理搭配，不能全部為強(qiáng)連梁，否則結(jié)構(gòu)剛度過大，反而引起地震作用更大，結(jié)構(gòu)成本無端增加。但也不能全部為弱連梁，否則整個(gè)結(jié)構(gòu)缺少耗能構(gòu)件，不能成為延性結(jié)構(gòu)，沒有多道防線，與我們抗震設(shè)防目標(biāo)不符。級(jí)配合理是指強(qiáng)弱連梁合理搭配，大震下，弱連梁退出工作，僅作為連桿傳遞水平力，線剛度較大的強(qiáng)連梁繼續(xù)耗能，使得結(jié)構(gòu)具有較高的延性。

4 連梁與框架梁的區(qū)別

二者的主要區(qū)別在跨高比，跨高比小于5的為連梁，其變形特征為剪切變形，在反復(fù)荷載作用下斜裂縫擴(kuò)展到全對(duì)角線，發(fā)生剪切破壞。跨高比大于5的梁為框架梁，其變形特征為彎曲變形。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，將跨高比大于5的按框架梁輸入，跨高比小于2.5按洞口輸入，跨高比在2.5～5時(shí)酌情處理，但構(gòu)造應(yīng)與計(jì)算相結(jié)合。

5 連梁的超筋問題

連梁的超筋問題是我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的問題，而且有時(shí)束手無策，遇到連梁超筋時(shí)，我們不能馬上調(diào)整，應(yīng)仔細(xì)分析超筋原因，然后對(duì)癥下藥，不能“頭疼醫(yī)頭腳疼醫(yī)腳”，如果遇到某一或二層連梁超筋，我們可以調(diào)低本層連梁剛度，調(diào)高其他樓層連梁剛度，將地震力重新分配，解決連梁超筋問題。當(dāng)連梁剪壓比不滿足高規(guī)7.2.22所示的名義剪應(yīng)力時(shí)我們應(yīng)采取以下措施:

1)加大洞口寬度，增加連梁的跨度。2)降低連梁的剛度，考慮在水平力作用下，連梁由于開裂而剛度降低，故在進(jìn)行彈性內(nèi)力分析時(shí)，適當(dāng)降低連梁剛度。考慮的折減系數(shù)不得小于0.5，連梁剛度降低，內(nèi)力轉(zhuǎn)移到墻體上，但是應(yīng)注意折減系數(shù)不得小于在平時(shí)使用荷載作用下的內(nèi)力，也就是說在豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力，特別是風(fēng)荷載比較大的地區(qū)。否則平時(shí)可能開裂，影響正常使用，我們可以考慮設(shè)防烈度6度的情況驗(yàn)算。3)增加墻體厚度，也就是增加連梁的寬度，而增加墻厚所產(chǎn)生的地震力不按墻厚比例分配給墻體，而是小于這個(gè)比例，所以承載力不超限。4)提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，混凝土強(qiáng)度提高，則其抗剪強(qiáng)度提高。5)設(shè)置成雙連梁，采取在連梁中部設(shè)置水平縫的辦法，將整個(gè)截面高度的連梁分割成兩個(gè)截面高度相等的小截面連梁，即連梁按抗剪截面相等的原則等效。等效后寬度為小截面連梁寬度的2倍，高度與小截面連梁相等。6)連梁的鉸接處理。當(dāng)連梁的破壞對(duì)承受豎向荷載無明顯影響(即連梁不作為次梁或主梁的支承梁)時(shí)，將連梁兩端按鉸接處理，在大震下，連梁退出工作，內(nèi)力重新分配獨(dú)立墻肢，所以獨(dú)立墻肢按第二次多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，墻肢按兩次計(jì)算所得的較大內(nèi)力進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，保證墻體安全。

綜上所述，連梁對(duì)高層剪力墻結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，是高層剪力墻結(jié)構(gòu)剛度調(diào)節(jié)器，是高層剪力墻耗能元件，是結(jié)構(gòu)延性控制器。我們遇到超筋時(shí)，決不能置之不理，應(yīng)該仔細(xì)分析原因，某些超筋層數(shù)不多或超出較小時(shí)才可以不理，否則造成平時(shí)使用時(shí)連梁開裂，或在小震情況下連梁開裂，引起業(yè)主恐慌，而且與“小震不壞”的抗震設(shè)防目標(biāo)不一致。

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

［2］ 呂西林.高層建筑結(jié)構(gòu)［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2008.

［3］ 張維斌.多層及高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)釋疑及工程實(shí)例［M］.第2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［4］ GB 50003-2011，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［5］ 朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問答及分析［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.