對(duì)連梁設(shè)計(jì)計(jì)算及超限處理的探討

安 健

(山西國(guó)建工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030009)

?

對(duì)連梁設(shè)計(jì)計(jì)算及超限處理的探討

安 健

(山西國(guó)建工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030009)

介紹了連梁的概念、設(shè)計(jì)原則及破壞模式，探討了控制連梁超限的一些措施，并闡述了工程設(shè)計(jì)中超限處理的具體方法，提出了連梁設(shè)計(jì)在PKPM程序計(jì)算中的注意事項(xiàng)，以供參考。

連梁，超限處理，配筋，承載力

1 連梁概述和設(shè)計(jì)原則

在剪力墻和框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，兩端與剪力墻在平面內(nèi)相連的梁稱為連梁，規(guī)范規(guī)定為跨高比小于5兩端與平行墻連接的梁為強(qiáng)連梁，跨高比大于5時(shí)為弱連梁或框架梁。連梁是結(jié)構(gòu)中特別重要的構(gòu)件，在地震和風(fēng)荷載作用下，連梁產(chǎn)生彎矩、剪力和軸力使與其相連的墻體受到約束，從而減小墻肢的受力及變形，起到耗能作用，同時(shí)連梁的彎矩、剪力反作用于墻肢和墻肢形成共同受力體系，連梁和墻肢共同承擔(dān)風(fēng)和地震的水平作用。連梁和墻肢的設(shè)計(jì)都應(yīng)符合強(qiáng)剪弱彎的要求。

2 連梁的兩種破壞模式

1)脆性破壞：剪切破壞為脆性破壞，當(dāng)連梁的抗剪承載力不足,剪壓比超限時(shí)會(huì)產(chǎn)生剪切破壞，這時(shí)連梁會(huì)過(guò)早地出現(xiàn)裂縫且抗剪鋼筋不能發(fā)揮作用，連梁完全喪失承載力，同時(shí)連梁對(duì)兩端的墻肢完全失去約束作用，當(dāng)結(jié)構(gòu)大部分連梁都發(fā)生脆性破壞時(shí)，結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度降低，隨P-Δ效應(yīng)的加大甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的倒塌。

2)延性破壞:彎曲破壞為延性破壞，連梁發(fā)生延性破壞時(shí)，連梁受拉區(qū)會(huì)出現(xiàn)裂縫，在地震反復(fù)作用下連梁出現(xiàn)塑性鉸，這時(shí)連梁并未完全喪失承載力，且對(duì)兩側(cè)墻肢有約束作用，同時(shí)這一過(guò)程連梁起到耗能作用，延性破壞符合連梁設(shè)計(jì)強(qiáng)剪弱彎的要求，可形成整體結(jié)構(gòu)抗震的第一道耗能防線。

3 控制連梁超限的措施

連梁一般為抗剪超限，對(duì)抗剪超限的控制和處理措施，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用以下一些方法。

3.1 減小連梁截面高度或考慮連梁剛度折減

結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)均采用彈性剛度計(jì)算，結(jié)構(gòu)中的墻體剛度很大，而連梁的剛度較小且承受很大的剪力和彎矩，這時(shí)，在保證連梁能承受豎向荷載和風(fēng)荷載作用的前提下，降低連梁剛度允許適當(dāng)開(kāi)裂讓墻體多承擔(dān)一些內(nèi)力。設(shè)計(jì)時(shí)一般根據(jù)該建筑抗震設(shè)防烈度的高低確定連梁的剛度折減系數(shù)(6度、7度時(shí)折減系數(shù)可取0.7，8度、9度可取0.5)，且折減系數(shù)也不應(yīng)小于0.5。

3.2 對(duì)連梁的彎矩進(jìn)行調(diào)幅處理

當(dāng)連梁對(duì)承受豎向荷載無(wú)明顯影響時(shí)，可對(duì)連梁彎矩、剪力進(jìn)行調(diào)幅，但對(duì)剛度折減后的連梁應(yīng)限制調(diào)幅范圍，連梁調(diào)幅后的內(nèi)力值不應(yīng)低于正常使用狀況下的彎矩、剪力設(shè)計(jì)值，為了防止連梁在較小地震作用下出現(xiàn)裂縫，調(diào)幅處理后所得的內(nèi)力值也不應(yīng)小于降低一度設(shè)防烈度計(jì)算所得的地震組合彎矩、剪力設(shè)計(jì)值。一般情況下設(shè)防烈度為6度、7度時(shí)調(diào)幅系數(shù)取連梁剛度不折減時(shí)計(jì)算彎矩的80%，8度、9度時(shí)取不折減時(shí)的50%。

3.3 連梁兩端完全鉸接處理

假定連梁鉸接處理后在大震下破壞不參與工作，對(duì)剪力墻按獨(dú)立墻肢進(jìn)行第二次多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，PKPM軟件電算時(shí)，可在特殊構(gòu)件中對(duì)連梁兩端做鉸接處理，墻肢配筋按兩次計(jì)算結(jié)果取大值，連梁可根據(jù)強(qiáng)剪弱彎要求及正常使用狀況承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.4 設(shè)縫連梁的應(yīng)用

連梁設(shè)縫是近來(lái)提出的一種有效的方法，就是在連梁的高度范圍內(nèi)增設(shè)水平縫使一根連梁變?yōu)閹赘B梁，從而減小連梁的剛度和跨高比，使連梁從剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐?，設(shè)縫連梁對(duì)降低單連梁的剪力和彎矩有明顯作用。

4 工程設(shè)計(jì)中的超限處理的具體方法

4.1 連梁超限處理的設(shè)計(jì)原則

連梁通過(guò)以上方法調(diào)整后，如果仍然存在大部分連梁超限，說(shuō)明結(jié)構(gòu)體系的選取或剪力墻與連梁協(xié)調(diào)布置不合理，不符合結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，這時(shí)應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)方案或墻體布置；如果通過(guò)調(diào)整后只有少量連梁超限，可以考慮地震作用下連梁對(duì)墻實(shí)際存在的約束作用，盡可能充分利用連梁的有效截面和剛度耗能，這時(shí)根據(jù)連梁設(shè)計(jì)強(qiáng)剪弱彎的要求進(jìn)行超限處理。連梁的超筋處理可按以下兩步進(jìn)行：1)以連梁截面最大抗剪承載力(剪壓比限值)作為連梁剪力設(shè)計(jì)值反算出連梁抗剪箍筋；2)根據(jù)該剪力值計(jì)算出連梁端部彎矩，為了保證連梁的強(qiáng)剪弱彎要求對(duì)彎矩作適當(dāng)調(diào)幅，根據(jù)調(diào)幅后的彎矩值計(jì)算連梁縱筋。這樣當(dāng)多遇地震發(fā)生時(shí)，連梁端部彎矩達(dá)到極限抗彎承載力出現(xiàn)塑性鉸且彎矩不會(huì)繼續(xù)增加，梁端達(dá)到極限抗彎承載力(經(jīng)過(guò)調(diào)幅后彎矩求得)時(shí)產(chǎn)生的剪力也不會(huì)增加且小于梁截面最大抗剪承載力，此時(shí)連梁仍能對(duì)墻肢產(chǎn)生一定的約束作用，并通過(guò)延性變形耗能，滿足連梁設(shè)計(jì)強(qiáng)剪弱彎的原則。但調(diào)整后因連梁對(duì)墻肢的約束作用減小勢(shì)必會(huì)增大兩側(cè)墻肢的內(nèi)力，這時(shí)應(yīng)對(duì)連梁兩端墻肢的配筋適當(dāng)調(diào)整放大，同時(shí)應(yīng)對(duì)其他各樓層同一位置的連梁、墻肢的配筋作適當(dāng)加強(qiáng)。

4.2 電算時(shí)超限處理的具體方法

在工程的具體設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)電算減小連梁高度試算，尋找到一個(gè)理想連梁截面，此連梁承擔(dān)的剪力小于調(diào)整前實(shí)際施工連梁截面的抗剪承載力，且保證層間位移角必須符合《高規(guī)》要求。計(jì)算步驟如下：暫定連梁實(shí)際截面所能承擔(dān)的最大剪力[V1]，截面替換后的連梁承擔(dān)的剪力為[V2]，調(diào)整連梁截面至計(jì)算承擔(dān)的剪力[V2]小于連梁實(shí)際截面所能承擔(dān)的最大剪力[V1]，此時(shí)電算可能仍然判斷為超筋，但實(shí)際連梁截面所能承擔(dān)的最大剪力[V1]已經(jīng)大于[V2]。最終連梁及剪力墻的配筋為：連梁截面取第一次計(jì)算截面，按[V2]對(duì)應(yīng)的[M2]配縱向筋，同時(shí)應(yīng)保證連梁的最小配筋率，連梁箍筋根據(jù)抗剪承載力反算求得，剪力墻配筋取兩次計(jì)算的大值。

5 連梁設(shè)計(jì)在PKPM程序計(jì)算中注意事項(xiàng)

1)在實(shí)際電算軟件中，連梁有兩種輸入方法，墻體開(kāi)洞或按節(jié)點(diǎn)以框架梁輸入，但在高設(shè)防烈度地區(qū)連梁抗剪超限極為嚴(yán)重，以框架梁輸入形成的跨高比較小的連梁表面計(jì)算好像可減少抗剪超限，但從特殊構(gòu)件定義查看，這類連梁剛度折減是按連梁折減系數(shù)，但彎矩調(diào)幅系數(shù)又是按框架梁定義的，這樣造成這類梁的剛度偏小配筋不足，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重新定義該連梁的調(diào)幅系數(shù)以限制剛度折減后的連梁正確的調(diào)幅范圍，然后正確計(jì)算連梁及墻肢的配筋；跨高比大于2.5的連梁對(duì)墻肢約束較小，連梁配筋可以直接利用按框架梁輸入方式計(jì)算的結(jié)果。

2)目前雙連梁能在PKPM中特殊構(gòu)件里定義，但設(shè)縫連梁必須在以框架梁輸入形成的連梁中定義，程序現(xiàn)沒(méi)有對(duì)以墻體開(kāi)洞形成的連梁的設(shè)縫功能。以框架梁輸入程序默認(rèn)的連梁應(yīng)修改調(diào)幅系數(shù)，然后定義設(shè)縫連梁，經(jīng)過(guò)大量的工程的實(shí)踐和計(jì)算分析,PKPM處理設(shè)縫連梁的精度誤差在工程允許范圍內(nèi)。

6 結(jié)語(yǔ)

連梁是剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系中的重要構(gòu)件，應(yīng)合理地考慮連梁在結(jié)構(gòu)中的耗能作用，既不能因剛度弱過(guò)早退出工作使墻肢增加更大的地震力，又不能剛度太大使墻肢超前破壞。所以盡量使連梁的剛度、變形及承載力與墻肢匹配，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)方案的概念設(shè)計(jì)、構(gòu)件的設(shè)計(jì)原理與超限處理等因素，盡可能用多個(gè)不同的電算軟件建立計(jì)算模型，然后認(rèn)真仔細(xì)地對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果，最后做到連梁構(gòu)件安全、計(jì)算合理、施工方便。

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

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

[3] 朱炳寅.對(duì)雙連梁的認(rèn)識(shí)與設(shè)計(jì)建議[J].建筑結(jié)構(gòu)·技術(shù)通訊，2008(7)：75-80.

[4] 朱炳寅.建筑抗震規(guī)范應(yīng)用與分析[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[5] 曹征良，丁大鈞，程文壤.剪力墻結(jié)構(gòu)自控連梁的實(shí)驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1991(1)：120-121.

On design and calculation of coupling beam and its treatment for the limit violation

An Jian

(ShanxiGuojianEngineeringDesignCo.,Ltd,Taiyuan030009,China)

The paper introduces the concept, design principle and damage models of the coupling beam, explores some measures to control the limit violation of the beam, illustrates the methods for the treatment of limit violation in the engineering design, and points out the precautions of the coupling beam design in PKPM program calculation, for reference.

coupling beam, treatment of limit violation, reinforcement, loading capacity

1009-6825(2016)20-0036-03

2016-05-08

安 健(1977- )，男，工程師

TU318

A