不同配筋短連梁地震作用下的力學(xué)性能研究概論

鄭愛武 權(quán)百良

1西安工業(yè)大學(xué) 陜西西安 710021；2建筑工程學(xué)院 陜西西安 710021

摘要：短連梁也稱為小跨高比連梁，目前在進(jìn)行小跨高比剪力墻連梁的抗震設(shè)計(jì)中，為防止連梁過早發(fā)生剪切破壞，通常在梁內(nèi)配置交叉斜向鋼筋，使其延性能力能夠達(dá)到地震作用時(shí)剪力墻對(duì)連梁的延性需求。本文介紹了連梁內(nèi)斜筋的3種不同布置形式，研究了試驗(yàn)?zāi)M短連梁地震作用下的基本原理和力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：交叉斜向鋼筋；短連梁；地震作用

前言

隨著我國(guó)高層建筑的增多，為了更加有效地提高其抵抗地震的能力，保證結(jié)構(gòu)的使用安全，短連梁出現(xiàn)在建筑剪力墻抗震設(shè)防的重要部位，是地震作用下的第一道防線。在傳統(tǒng)的短連梁配筋方案中，主要為單純布置橫向水平箍筋，但汶川地震后建筑損毀情況分析發(fā)現(xiàn)承載剪切沖擊力的短連梁在未達(dá)到延性破壞之前先出現(xiàn)沿梁四角向中心的脆性剪切破壞，使建筑物過早失去結(jié)構(gòu)功能而發(fā)生倒塌；近年，國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在短連梁受力比較復(fù)雜，不同于一般的受彎構(gòu)件，在其內(nèi)配置交叉斜向鋼筋能有效承擔(dān)剪力。本文主要研究了在小跨高比梁內(nèi)通過布置3種不同形式的交叉斜向鋼筋，通過分析對(duì)比來研究其力學(xué)性能及耗能能力。

1 短連梁構(gòu)造

1.1 交叉斜向鋼筋布置形式

1.1.1 交叉斜向鋼筋配置方式一

對(duì)角暗撐配筋，沿連梁對(duì)角線斜向放置鋼筋，形成兩組相互交叉的鋼筋，每組鋼筋均采用矩形箍筋或螺旋箍筋綁成一體（圖1）。這種構(gòu)造方式的配筋基本要求是：（1）剪力墻連梁截面寬度不宜小于400mm。（2）全部剪力應(yīng)由交叉斜向鋼筋承擔(dān)，每組沿連梁對(duì)角線放置的鋼筋應(yīng)至少由4根鋼筋組成，鋼筋直徑不應(yīng)小于14mm。（3）沿連梁對(duì)角線放置的每組鋼筋應(yīng)設(shè)置箍筋，兩組鋼筋交叉點(diǎn)處箍筋應(yīng)對(duì)全部交叉鋼筋約束并宜適當(dāng)加密間距。箍筋外皮尺寸，在平行于梁寬度bw方向應(yīng)不小于bw/2，在平行于梁高方向不應(yīng)小于bw/5于100mm中較大值。（4）連梁全截面僅需沿周邊配置普通箍筋?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，沿連梁周邊配置的普通箍筋和腰筋，在其各個(gè)方向的全部面積不應(yīng)小于0.002bws（bw為連梁腹板寬度，s為箍筋間距或腰筋間距）。

圖1.對(duì)角暗撐配筋

1.1.2交叉斜向鋼筋配置方式二

集中對(duì)角斜筋配筋：沿連梁對(duì)角線斜向放置鋼筋，形成兩組相互交叉的鋼筋，每組鋼筋均未設(shè)置矩形箍筋或螺旋箍筋（圖2）。其配筋符合下列幾個(gè)要求：（1）剪力墻連梁截面寬度不宜小于350mm。（2）全部剪力墻應(yīng)由交叉斜向鋼筋承擔(dān)，每組沿連梁對(duì)角線放置的鋼筋應(yīng)至少由4根鋼筋組成，鋼筋直徑不應(yīng)小于14mm。

（3）連梁全截面箍筋（拉筋）的直徑、肢距和間距不應(yīng)低于現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于連梁箍筋配置要求。連梁兩側(cè)腰筋的面積不應(yīng)小于0.002bws，腰筋間距不應(yīng)大于200mm。

圖2.集中對(duì)角斜筋配筋

1.1.3交叉斜向鋼筋配置方式三

連梁頂部和底部縱向鋼筋在連梁跨度中點(diǎn)兩側(cè)分別交叉彎折并在跨中鋼筋交錯(cuò)排列呈菱形狀（圖3），如圖：

圖3.交叉斜筋配筋

（1）剪力墻連梁截面寬度，在連梁橫截面兩側(cè)設(shè)置彎折鋼筋時(shí)，不宜小于300mm。（2）彎折鋼筋直徑不應(yīng)小于12mm。（3）連梁全截面箍筋（拉筋）的肢距和間距不應(yīng)低于現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于連梁箍筋配置的構(gòu)造要求，箍筋（拉筋）直徑宜比構(gòu)造要求的最小直徑適當(dāng)加大，連梁兩側(cè)腰筋的面積不應(yīng)小于0.002bws，腰筋間距不應(yīng)大于200mm。

1.2 連梁截面剪力設(shè)計(jì)值

小跨高比連梁，其截面剪力設(shè)計(jì)值可分為永久、短暫設(shè)計(jì)狀況和地震設(shè)計(jì)狀況兩種。集中對(duì)角斜筋配筋連梁，交叉斜筋配筋連梁、對(duì)角暗撐配筋連梁三種配置鋼筋形式不同的短連梁在地震設(shè)計(jì)狀況下其截面剪力設(shè)計(jì)值確定原則相同。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定，地震設(shè)計(jì)狀況下總結(jié)出跨高比不大于2.5的連梁相關(guān)剪力設(shè)計(jì)值參考公式，如下：

1.3 連梁的斜截面受剪承載力

小跨高比連梁的斜截面受剪承載力地震設(shè)計(jì)狀況下相關(guān)計(jì)算參考公式如下：

2.短連梁分析

2.1 分析方法

現(xiàn)行的對(duì)于鋼筋混凝土梁的相關(guān)性能分析方法多種多樣，相對(duì)來說，有限元軟件ANASYS和ABAQUS或者PKPM和SAP2000來都可以比較完美的建立需要的模型，并能夠在模型上加載地震作用下剪力墻連梁的受力荷載等，軟件自動(dòng)顯示出受力后連梁的狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，方便與其他資料進(jìn)行參考對(duì)比，如與試驗(yàn)對(duì)比，則能大大提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，并為試驗(yàn)提供一些新的思路。

2.2 模型選擇

利用計(jì)算機(jī)軟件ANASYS來建立鋼筋混凝土剪力墻連梁模型來分析小跨高比連梁在地震作用下的力學(xué)特性，多次調(diào)整變量獲得結(jié)果，這樣比較利于操作、方便快速、經(jīng)濟(jì)合理，與土木工程學(xué)科的科學(xué)研究精神相互吻合。

2.3 實(shí)驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)處理

由于三種短連梁的配筋形式不同，若想要得出有對(duì)比性的結(jié)論數(shù)據(jù)，可以控制使連梁內(nèi)配筋率相同來進(jìn)行分析，產(chǎn)生數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，則可以達(dá)到對(duì)不同配筋形式短連梁在地震作用下的性能研究的目的，邏輯清晰，結(jié)構(gòu)層次明確。

利用計(jì)算機(jī)軟件建立好三種小跨高比連梁模型之后，不同交叉斜向配置形式的鋼筋采用桿單元嵌入在混凝土模型中，模擬地震作用的受力情況對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算分析，得出短連梁的彎曲、形變、延性、截面剪力和斜截面受力情況，同時(shí)，軟件還可對(duì)短連梁的進(jìn)行裂縫檢測(cè)，并生成模擬數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)結(jié)合規(guī)范及有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算、繪制圖表、得出結(jié)論。

結(jié)論

（1）采取不同的配筋方式，連梁達(dá)到所需延性時(shí)能承受的最大剪壓比是不同的；（2）短連梁承受不斷重復(fù)的剪切荷載時(shí)，三種配筋方式相比，方式一與方式二試驗(yàn)結(jié)果幾乎沒有差異，方式三破壞沒有前者明顯；（3）三種配筋方式在耗能方面區(qū)別的區(qū)別是可以忽略不計(jì)的；（4）配筋方式二相比配筋方式一相對(duì)來說便于施工；交叉斜向鋼筋配置方式三與前面兩種配筋方式相比，施工方便、快速，軟件模擬也更加便捷；（5）交叉斜向鋼筋配置方式三與前面兩種配筋方式相比，同樣體積配筋率時(shí)強(qiáng)度偏低，但其在轉(zhuǎn)角延性方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，交叉斜向鋼筋配置方式三避免了發(fā)生對(duì)角線爆裂裂紋的剪切破壞。

參考文獻(xiàn)：

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