連梁優(yōu)化設(shè)計(jì)方案研究

張飛燕

摘要： 連梁在剪力墻結(jié)構(gòu)或核心筒結(jié)構(gòu)中通常被設(shè)計(jì)成抵抗地震的第一道防線，因此在工程中應(yīng)避免將連梁設(shè)計(jì)成脆性破壞。然而在實(shí)際工程中，由于需要滿足建筑結(jié)構(gòu)的功能需求，常常將連梁設(shè)計(jì)成小跨高比連梁，小跨高比連梁的抗剪承載力低，在強(qiáng)震中容易發(fā)生剪切破壞，本文將就小跨高比連梁的抗震性能的優(yōu)化方案進(jìn)行討論，為設(shè)計(jì)及研究人員提供參考。

Abstract： Coupling beams are always designed as the first line of defense against earthquake in shear wall structure or core tube structure. Therefore， the coupling beams should not be designed to the brittle failure in engineering. However， in practical engineering， because of the need to meet the functional requirements of building structure， coupling beams often designed to small span-to-depth ratio. The small span-to-depth ratio coupling beams have low bearing capacity of shear， they are easy to be shear damaged in strong earthquake. This paper will discuss the aseismic performance optimization scheme of small span-to-depth ratio coupling beam， and provide reference for the designer and researcher.

關(guān)鍵詞： 跨高比；連梁；抗震；優(yōu)化設(shè)計(jì)

Key words： span-to-depth ratio；coupling beam；anti-seismic；optimal design

中圖分類號(hào)：TU973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）14-0173-04

0 引言

隨著國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)及城市化的快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)的高度及難度不斷增大，普通的框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足要求，需要高效的建筑材料及高性能的結(jié)構(gòu)形式，具有優(yōu)秀抗側(cè)剛度、較好的抗震性能的剪力墻結(jié)構(gòu)、框-剪結(jié)構(gòu)以及核心筒結(jié)構(gòu)成為超高層建筑結(jié)構(gòu)中的主流。核心筒結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)由于建筑功能需求不可避免需要開洞口，需要通過連梁將相鄰的兩墻肢連系起來。由于建筑結(jié)構(gòu)的功能需求，實(shí)際工程中，連梁通常被設(shè)計(jì)成小跨高比形式，跨高比過?。绺弑刃∮?.5[1]）的情況下容易在地震中發(fā)生剪切破壞，屬于脆性破壞。然而，在實(shí)際工程中，往往將剪力墻結(jié)構(gòu)或者核心筒結(jié)構(gòu)中的連梁設(shè)計(jì)為抗震的第一道防線，因而，為滿足建筑及結(jié)構(gòu)的需求，國內(nèi)外學(xué)者提出了各式各樣的小跨高比連梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文將就幾種不同的小跨高比連梁抗震性能優(yōu)化進(jìn)行闡述。

1 連梁的破壞形式

在地震發(fā)生時(shí)，連梁主要受垂直于梁方向的豎向荷載作用，主要有脆性破壞（剪切破壞）和延性破壞（彎曲破壞）兩種形式。對于脆性破壞的連梁，其抗剪承載力較差，在強(qiáng)震下容易瞬間喪失承載力，導(dǎo)致破壞的連梁兩端的墻肢失去約束，成為獨(dú)立的墻肢，則使整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度降低，變形加大。對于延性破壞的連梁，其抗剪承載力高，在強(qiáng)震下會(huì)形成交叉的裂縫，但不至于瞬間破壞，連梁會(huì)在地震反復(fù)過程中吸收大量能量的同時(shí)對墻肢起到約束作用，使剪力墻結(jié)構(gòu)在震中仍能保持足夠的強(qiáng)度和剛度，從而保證整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。

連梁在抗震設(shè)計(jì)中被設(shè)計(jì)成第一道防線，在地震發(fā)生時(shí)，期望其能夠發(fā)生延性破壞并且能夠耗散地震能量，起到保護(hù)其他更重要構(gòu)件的目的。因此，在工程設(shè)計(jì)中需將連梁設(shè)計(jì)成延性的彎曲破壞。

2 連梁優(yōu)化主流方案

對于小跨高比連梁，其容易發(fā)生脆性剪切破壞，在工程中，不允許連梁的剛度過大，且連梁作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的第一道防線，在設(shè)計(jì)中需做到“弱連梁”，即保證連梁先與剪力墻或框架柱先破壞。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，常常遇到連梁超限的情況，需對連梁抗震性能進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 連梁尺寸

在連梁超限時(shí)，工程設(shè)計(jì)人員首先對連梁的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，這也是最有效果的。由梁的截面剛度EI=bh3/12可知，連梁截面高度對連梁的截面剛度影響較大，故設(shè)計(jì)人員通常通過減小連梁截面高度、增大截面寬度的方法來減小連梁的剛度。此外，增大連梁的跨度來增大連梁的跨高比也可以達(dá)到避免連梁發(fā)生剪切破壞的目的。但改變連梁的截面尺寸及跨度需配合整體建筑、結(jié)構(gòu)的功能來設(shè)計(jì)。

2.2 剛度折減

由于連梁在剪力墻結(jié)構(gòu)或核心筒結(jié)構(gòu)中受力和變形非常集中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通過對連梁的剛度進(jìn)行折減，考慮連梁較早進(jìn)入塑性狀態(tài)后剛度退化的影響，從而達(dá)到“弱連梁”的效果，使其在地震發(fā)生充分耗散地震能量而保護(hù)剪力墻構(gòu)件?！陡咭?guī)》中做出：“在內(nèi)力與位移計(jì)算中，抗震設(shè)計(jì)的框架-剪力墻或剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁剛度可予折減，折減系數(shù)不宜小于0.5”[34]的規(guī)定。范重[35]通過建立精細(xì)的連梁彈塑性模型，研究了連梁在地震中剛度退化與結(jié)構(gòu)耗能的情況，認(rèn)為可以根據(jù)連梁的彈塑性響應(yīng)來確定連梁的等效剛度折減系數(shù)。

2.3 配筋方案

在小跨高比連梁中，傳統(tǒng)的縱筋及豎向的箍筋對抗剪承載力及抗震性能的作用很小，甚至在剪切破壞處若無箍筋覆蓋，箍筋將起不到抗剪作用?；诖?，國外學(xué)者Paulay[7]提出了一種將鋼筋斜對角安置，形成一種帶有斜對角暗柱的連梁如圖1，該方法能夠有效利用斜鋼筋的抗拉性能，有效提高小跨高比連梁的抗震性能。其他學(xué)者[8]也在此基礎(chǔ)上做了相關(guān)試驗(yàn)研究，結(jié)果均表明，采用該優(yōu)化方法的小跨高比連梁具有較好的延性和抗震耗能能力。目前，我們規(guī)范中提出了當(dāng)連梁截面寬度大于400mm時(shí)，可采用該配筋方法[1]。

盡管通過安置斜對角配筋暗柱能夠有效提高連梁的抗震性能，但在實(shí)際工程中，若連梁的截面寬度較小時(shí)，該方法施工難度較大，因此一些學(xué)者[9-13]將該方法進(jìn)行了改進(jìn)及簡化，即通過直接安置交叉斜鋼筋的方式，如圖2，該方法施工簡單且同樣能夠有效提高連梁的抗震性能。其中梁興文等[6]將材料優(yōu)化與配筋方案優(yōu)化相結(jié)合，結(jié)果表明，兩種方法結(jié)合對連梁抗震性能的提高非常大。目前規(guī)范[1]中給出了對于一、二級(jí)抗震等級(jí)的連梁，當(dāng)跨高比小于2.5且連梁截面寬度大于250mm時(shí)可以采用交叉斜筋的配筋方案的建議。

此外，在之前的研究基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)斜鋼筋提供拉、壓力的原理提出了不同的配筋方案如菱形配筋[14-16]、復(fù)合斜配筋等形式，如圖3、4，這些方法均能夠有效提高連梁的抗震性能，并且施工方便，能夠應(yīng)用于實(shí)際工程中，但這些方法還未列入相關(guān)規(guī)范中，故還未在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用。

2.4 連梁開縫

由于結(jié)構(gòu)的功能需求往往將連梁跨度設(shè)置較小，從而形成小跨高比連梁，跨高比過小將導(dǎo)致連梁在地震中發(fā)生脆性破壞。若能夠減小連梁的截面高度，即可增大跨高比，從而改善連梁的抗震延性。

清華大學(xué)李國威、李文明[25]基于這種思路，最早提出了在連梁截面高度的一半位置設(shè)置一道水平縫，將連梁分成兩部分，從而使連梁的跨高比增大一倍，該連梁形式被稱為雙連梁，如圖5。隨后，不同學(xué)者如李奎明[26]、谷倩[27]、胥玉祥[28]等通過試驗(yàn)及有限元模擬方法研究了雙連梁的抗剪承載力及抗震性能，結(jié)果表明，采用雙連梁的截面形式，能夠大大增強(qiáng)連梁的抗震延性?；陔p連梁，一些學(xué)者還提出了多連梁形式[29][30]，并提出了相應(yīng)的計(jì)算方法，多連梁結(jié)構(gòu)形式如圖6。在連梁截面高度較大時(shí)可采用多連梁形式。陳云濤[31]建議將雙連梁的等效高度取值為0.5～0.8倍的單連梁高度，焦柯[32]則建議在設(shè)計(jì)中對連梁的抗彎剛度進(jìn)行折減，其中雙連梁折減系數(shù)為0.4375，三連梁為0.3333。我國規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[33]中將雙連梁及多連梁的相關(guān)規(guī)定列入其中。

采用雙連梁或多連梁，能夠有效降低連梁的內(nèi)力，提高連梁的抗震延性，同時(shí)，合理地設(shè)置縫寬，可以方便管線的穿插布置。同時(shí)，雙連梁或多連梁施工簡單，造價(jià)相對于改變連梁結(jié)構(gòu)形式低，因此在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。

3 連梁優(yōu)化新方案研究

隨著超高層建筑的難度越來越大，目前主流的連梁設(shè)計(jì)方案難以迎合未來的結(jié)構(gòu)需求，因此，國內(nèi)外學(xué)者針對連梁抗震性能新方案進(jìn)行了各式各樣的研究。

3.1 材料性能優(yōu)化

在工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員在混凝土材料方面往往通過提高其強(qiáng)度等級(jí)來提高小跨高比連梁的抗剪承載力，從而使其避免發(fā)生剪切破壞，但這種效果往往不佳。由于混凝土屬于脆性材料，其抗拉性能與抗震性能較差，在提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，其抗剪強(qiáng)度并未有大的改善，因此有些學(xué)者考慮提高材料性能以達(dá)到優(yōu)化連梁抗震性能的目的。楊忠，葉獻(xiàn)國等[2][3]使用超高韌性水泥基復(fù)合材料（UHTTC）替代普通混凝土材料完成了3個(gè)小跨高比連梁的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，并與普通混凝土連梁進(jìn)行對比，結(jié)果表明，由于摻入纖維使得混凝土材料的韌性提高，連梁從脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐?，使用UHTTC的連梁其滯回曲線更加飽滿，其剛度退化較為明顯，該方法能夠改善小跨高比連梁的抗震性能。

張宏戰(zhàn)[4]、葉燕霞[5]、梁興文[6]均完成了通過在混凝土中摻入不同種類纖維以及纖維含量來改善小跨高比連梁的抗震性能的相關(guān)研究，研究結(jié)果均表明通過改善混凝土材料的延性能夠提高小跨高比連梁的抗震性能及抗剪承載力，但單純通過改善混凝土材料方面來提高小跨高比連梁抗震性能的作用有限，還需配合其他方法進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 構(gòu)件形式方案優(yōu)化

混凝土抗拉強(qiáng)度差且延性較差，在超高層建筑中，采用鋼筋混凝土連梁可能無法滿足結(jié)構(gòu)抗震要求。鋼材具有較高的抗拉性能及優(yōu)越的延性性能，因此型鋼連梁和不同形式的鋼-混凝土組合連梁能夠用來替代鋼筋混凝土連梁，這種形式的構(gòu)件不僅在地震時(shí)能夠消耗大量的能量，且在震后能夠快速修復(fù)。

3.2.1 內(nèi)嵌鋼板連梁

由于鋼材具有優(yōu)良的延性及拉壓承載力，將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼材結(jié)合能夠改善小跨高比連梁抗震性能差的缺點(diǎn)，類似于在混凝土梁中安置型鋼，可在連梁中安置鋼板，形成內(nèi)置鋼板的連梁。同時(shí)，將連梁包裹在混凝土中，能夠避免鋼板因高溫造成的軟化問題，且能夠有效解決鋼板的平面外失穩(wěn)問題。

國外學(xué)者Subedi[17]最早提出了內(nèi)置鋼板連梁的結(jié)構(gòu)形式，Subedi在其文獻(xiàn)中闡述了考慮不同鋼板厚度、混凝土強(qiáng)度、剪跨比等參數(shù)下的內(nèi)嵌鋼板連梁的抗震性能，研究結(jié)果表明，內(nèi)置鋼板能夠顯著提高連梁的抗剪承載力及抗震性能，但由于鋼板與混凝土間的粘結(jié)性能較差，鋼板與混凝土之間會(huì)發(fā)生滑移現(xiàn)象。

為解決鋼板與連梁間的滑移問題，可采用在鋼板兩側(cè)焊接栓釘?shù)淖龇ǎ鐖D7。Cheng[18]、張剛[19]、侯煒[20]、史慶軒[21]等即在其研究中采用了此方法，研究結(jié)果均表明，在內(nèi)置鋼板兩側(cè)設(shè)置栓釘能夠有效減小鋼板與混凝土之間的滑移，進(jìn)而提高內(nèi)嵌鋼板混凝土連梁的抗震性能。但由于設(shè)置了栓釘，在實(shí)際工程中，該方法會(huì)增加箍筋安裝的難度。

3.2.2 外包鋼板混凝土連梁

同樣是利用鋼板及混凝土各自的優(yōu)點(diǎn)，類似于鋼管混凝土柱，在連梁外包裹一層鋼板，以提高小跨高比連梁的抗震性能。該方法最早由香港理工大學(xué)的Teng[22]提出，Teng完成了不同混凝土強(qiáng)度和不同鋼管強(qiáng)度下的連梁的抗震性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，外包鋼板混凝土連梁的耗能性能優(yōu)良。隨后聶建國，胡紅松[23][24]進(jìn)行了類似的研究，并研究了外包鋼管連梁與鋼板剪力墻的連接方法。采用外包鋼管的優(yōu)化方法具有較好的效果，但會(huì)有施工澆筑困難的情況。

3.2.3 鋼連梁

采用純型鋼連梁也可作為一種優(yōu)化小跨高比連梁抗震性能的方法。鋼連梁具有優(yōu)良的變形、耗能性能，由于型剛一般是在工廠預(yù)制，故能夠快速施工安裝，且其在震后能夠快速更換。但純型鋼會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)情況，在設(shè)計(jì)中需加強(qiáng)鋼連梁的整體穩(wěn)定及局部穩(wěn)定。由于采用純鋼連梁價(jià)格較高，在一般工程中一般不會(huì)采用。

4 結(jié)論

本文針對目前主流的連梁優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及新的優(yōu)化研究進(jìn)行了簡要探討，主要有以下結(jié)論：

①在連梁優(yōu)化設(shè)計(jì)中首先考慮改變其尺寸；②若尺寸無法繼續(xù)調(diào)整則可通過連梁剛度折減系數(shù)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；③通過改變配筋方案進(jìn)行優(yōu)化，其中，設(shè)置交叉斜筋最為簡單高效；④連梁開縫能夠有效提高連梁的抗剪強(qiáng)度及其延性，且施工簡單；⑤采用鋼-混組合連梁能夠有效提高連梁的抗震性能，但仍需改善其施工便捷性以推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]部門中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[M].中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]楊忠，葉獻(xiàn)國，YangZhong，等.小跨高比超高韌性水泥基復(fù)合材料連梁抗震性能研究[J].工業(yè)建筑，2015（10）：79-83.

[3]楊忠.小跨高比超高韌性水泥基復(fù)合材料連梁抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2016（15）：74-78.

[4]張宏戰(zhàn)，張瑞瑾，黃承逵.鋼纖維高強(qiáng)混凝土連梁抗剪試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007，40（11）：15-22.

[5]葉艷霞，孫向陽，趙應(yīng)許，等.小跨高比纖維增強(qiáng)混凝土連梁抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2014（14）：13-16.

[6]梁興文，邢朋濤，劉貞珍，等.小跨高比纖維增強(qiáng)混凝土連梁抗震性能試驗(yàn)及受剪承載力研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2016，37（8）： 48-57.

[7]Paulay T， Binney J R. Diagonally reinforced coupling beams of shear walls[J]. Special Publication， 1974， 42： 579-598.

[8]Tassios T P， Moretti M， Bezas A. On the behavior and ductility of reinforced concrete coupling beams of shear walls[J]. Structural Journal， 1996， 93（6）： 711-720.

[9]Barney G B， Shiu K N， Rabbit B G， et al. Behavior of coupling beams under load reversals （RD068. 01B）[J]. Portland Cement Association， Skokie， IL， 1980.

[10]Galano L， Vignoli A. Seismic behavior of short coupling beams with different reinforcement layouts[J]. Structural Journal， 2000， 97（6）： 876-885.

[11]皮天祥，傅劍平，白紹良，等.小跨高比對角斜筋連梁抗震性能的試驗(yàn)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32（9）：1086-1092.

[12]梁興文，車佳玲，鄧明科.對角斜筋小跨高比纖維增強(qiáng)混凝土連梁抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2013，34（8）：135-141.

[13]梁興文，劉貞珍，邢朋濤，等.纖維增強(qiáng)混凝土對角斜筋小跨高比連梁抗震性能試驗(yàn)研究及受剪承載力分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2017（2）：27-35.

[14]Tegos I A， Penelis G G. Seismic resistance of short columns and coupling beams reinforced with inclined bars[J]. Structural Journal， 1988， 85（1）： 82-88.

[15]曹云鋒，張彬彬，趙杰林，等.改善洞口連梁抗震性能的一種有效配筋方案[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（5）： 24-30.

[16]傅劍平，皮天祥，韋鋒，等.鋼筋混凝土聯(lián)肢墻小跨高比復(fù)合斜筋連梁抗震性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011（2）：57-64.

[17]Lam W Y， Su R K L， Pam H J. Strength and ductility of embedded steel composite coupling beams[J]. Advances in Structural Engineering， 2003， 6（1）： 23-35.

[18]Cheng P C. Shear capacity of steel-plate reinforced concrete coupling beams[D]. 2004.

[19]張剛.鋼板混凝土連梁抗震性能的試驗(yàn)研究[D].清華大學(xué)，2005.

[20]侯煒，陳彬，郭子雄，等.內(nèi)嵌鋼板混凝土組合連梁抗震性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2017（2）： 9-18.

[21]史慶軒，田建勃，王秋維，等.小跨高比鋼板-混凝土組合連梁抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015，36（2）：104-114.

[22]Teng J G， Chen J F， Lee Y C. -Concrete-Filled Steel Tubes as Coupling Beams for RC Shear Walls[M]//Advances in Steel Structures （ICASS'99）. 1999： 391-399.

[23]聶建國，胡紅松.外包鋼板-混凝土組合連梁試驗(yàn)研究（Ⅰ）：抗震性能[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2014，35（5）：1-9.

[24]胡紅松.外包鋼板—混凝土組合連梁及在剪力墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究[D].清華大學(xué)，2014.

[25]李國威，李文明.反復(fù)荷載下鋼筋混凝土剪力墻連梁的強(qiáng)度和延性[C].第八屆全國高層結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)議論文集，安徽，1984.

[26]李奎明，李杰.鋼筋混凝土雙連梁短肢剪力墻結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（4）：587-596.

[27]谷倩，朱飛強(qiáng).雙連梁與深連梁剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能對比分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010（s1）：211-216.

[28]胥玉祥，朱玉華，趙昕，等.雙連梁受力性能研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2010，26（3）：31-37.

[29]范重，劉暢，吳徽.多連梁剪力墻抗震性能研究[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，31（4）：125-134.

[30][32]焦柯，趙云龍，吳文勇.多連梁的計(jì)算方法及抗震性能分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013（s1）：640-642.

[31]陳云濤.雙連梁的等效分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011（s1）：1040-1042.

[33]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[M].中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[34]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[M].中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[35]范重，劉云博，邢超，等.剪力墻連梁剛度折減系數(shù)確定方法研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2015（23）：15-20.