高層建筑中有關連梁的問題討論與設計要點

王 剛

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

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高層建筑中有關連梁的問題討論與設計要點

王 剛

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

通過分析連梁的工作機理和破壞方式，了解了其性能特點，根據(jù)“強肢弱梁”“強剪弱彎”的原則，探討了連梁的設計方法，并針對高層建筑連梁設計中常見的難點提出了處理建議，為連梁這一剪力墻體系中重要耗能構件的研究提供了依據(jù)。

連梁，剪力墻，剛度，延性

0 引言

隨著我國社會經濟的高速發(fā)展，人口以及各種資源在城市快速聚集，城市人口密度越來越大，地價不斷飛漲，而新建樓盤大多選擇以較小的土地面積獲取最多的建筑面積，這導致高層建筑成為城市發(fā)展的必然產物。走在城市中，我們時常可以看到新建的高層寫字樓、高層住宅，其中絕大部分采用了剪力墻、框架—剪力墻、筒體結構體系，這些結構體系中大范圍的剪力墻上都布置有許多的連梁，那么連梁有什么重要作用；為什么在設計中總是會出現(xiàn)連梁超筋的問題；遇到連梁超筋該怎樣處理；連梁設計又該注意哪些問題。這些就是我們今天需要討論的內容。

1 連梁的定義及工作機理

連梁是指在包含剪力墻的結構體系中兩端與剪力墻在平面內相連的梁(《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》第7.1.3條的條文說明)。換成普通的說法：連梁是兩片墻中間有洞口或斷開，但受力要求又要連在一起而增加的受力構件。在連梁上下一般設置有洞口，比如門窗洞口、較長墻肢因受力需要設置的結構洞等。

對于聯(lián)肢剪力墻而言，墻肢的延性、剛度、承載力等與相接的連梁有很大的關系。作為結構體系中抗震設防的重要構件，連梁的跨高比小，其所受的豎向荷載成為了次要受力類型，而像風荷載和地震荷載作用下對墻肢產生的水平力則成為了主要因素，受力后墻肢的彎曲變形導致與墻肢相接的連梁兩端承受反向彎曲作用，相應產生轉角變形和內力，而連梁端部的彎矩、剪力和軸力又反作用于墻肢，對墻肢起到了約束作用，改善了墻肢的受力狀態(tài)，減小了內力和變形，連梁和墻肢就是這樣相互作用，相互聯(lián)系的。

高層建筑剪力墻體系中，在水平荷載作用下連梁的破壞分為脆性破壞(剪切破壞)和延性破壞(彎曲破壞)。連梁的脆性破壞：連梁的剪力通過梁的受壓區(qū)傳遞至與其相連的墻肢，連梁受壓區(qū)在地震作用下產生彎曲裂縫后抗剪能力已大幅下降，當連梁因延性不足，在未達到極限抗彎承載力時就因剪切破壞而喪失了承載力。若各樓層所有連梁均因剪切破壞而退出工作，各墻肢也會因為喪失了連梁的約束而成為單片懸臂墻，此時墻肢彎矩增大，側向剛度降低，不斷加大的位移進一步增加P—Δ效應(豎向荷載由于水平位移而產生的附加彎矩)，這對結構是十分不利的，會最終導致結構喪失效力。連梁的延性破壞：連梁在彎矩作用下，受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫，隨著荷載增加梁產生應力重分布，當荷載達到極限承載力時，裂縫進一步擴大，產生彎曲破壞。需要說明的是，這種彎曲破壞形式中雖然連梁先于墻肢屈服，但因其具有足夠的延性，梁端可形成塑性鉸，塑性鉸既能消耗大量的地震能量，又能繼續(xù)傳遞剪力和彎矩，對墻肢依然具有約束作用，保證了剪力墻具有足夠的剛度和承載力。在這一過程中，連梁具有消耗地震能量，減少墻肢內力，延緩墻肢屈服的重要作用。

2 連梁的設計要點

一般連梁的高度大，連接的墻肢剛度也大，對剪切受力十分敏感，其設計具有一定的特殊性：小震和受風荷載作用的正常使用狀態(tài)下，連梁具有約束墻肢、提高墻體剛度的作用；中震時它是聯(lián)肢墻的第一道防線，應先于墻肢出現(xiàn)彎曲屈服，利用塑性鉸和自身有限的破壞吸收地震能量；大震時允許其出現(xiàn)剪切破壞?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》第6.4.5條條文說明已明確指出開洞的聯(lián)肢墻，應當以連梁首先屈服，然后墻肢的底部鋼筋屈服、形成塑性鉸的順序為強震作用下的合理破壞過程。在設計前我們應先了解它的這些性能和特點，從概念設計為先，盡力做到“強肢弱梁”“強剪弱彎”，即彈性區(qū)要強、塑性區(qū)要弱，墻肢要強、連梁要弱，抗剪強度要強、抗彎強度要弱。

通常連梁根據(jù)跨高比分為兩類：1)跨高比小于5的連梁；2)跨高比不小于5的連梁。

先說第二類跨高比不小于5的連梁，其受力狀態(tài)與一般框架梁相似，可直接按框架梁的要求設計并配置鋼筋。

第一類跨高比小于5的連梁，其豎向荷載引起的彎矩很小，對配筋不起控制作用，而水平荷載作用下，剪力很大，易出現(xiàn)剪切斜裂縫，對于跨高比不大于2.5的連梁，剪切作用更為顯著。對于這類連梁，其受剪截面控制條件、斜截面受剪承載力、配筋構造的要求均需滿足規(guī)范對于連梁的特殊規(guī)定，詳見《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》中7.2.21～7.2.28條，條文內容不在此列出，需要特別注意以下幾點：

1)一端與剪力墻相連、另一端與框架柱相連的跨高比小于5的梁(包括框剪結構中框架梁)應按連梁計算。

2)樓面主梁不宜支撐于連梁。因為連梁剛度較弱，對支撐于其上的主梁難以有效約束，自身抗扭剛度難以抵抗平面外彎矩；且連梁作為耗能構件，在強震下會首先破壞，將導致支撐的主梁也相應失效。如若實在難以避免，應將主梁端部與連梁相接處設為鉸接，加大連梁的配筋及構造措施。

3)一般在風荷載和地震作用下，連梁的內力往往很大。在運用程序進行構件內力計算時需對連梁進行剛度折減，但是在整體位移計算時一般不做折減，針對計算指標不同，可能需要二次計算。

4)連梁超筋超限。在結構程序計算中總會出現(xiàn)連梁超筋顯紅的結果，特別是在高抗震烈度區(qū)尤為突出，這與連梁自身的工作機理有關，其實質還是所受剪力較大，超過抗剪承載力，不滿足剪壓比要求。連梁的易超筋部位是有一定規(guī)律的，豎向位于總高度中間1/3的樓層、平面位于長墻肢的中部或墻肢長度相差懸殊的部位容易出現(xiàn)連梁超筋。超筋可以采用如下方法處理：a.減小連梁截面高度，實質是減小其抗彎剛度，使水平荷載作用下承擔的彎矩和剪力降低，即將受力減小或是將破壞形態(tài)從剪切破壞變?yōu)閺澢茐?，采用雙連梁、多連梁的布置(《建筑抗震設計規(guī)范》第6.4.7條)原理也是如此。但由于截面減小的同時也降低了連梁自身的抗剪承載力，有時反而使結果更為不利，此種情況可以在不影響使用功能的基礎上加大梁寬。b.對連梁剛度進行塑性調幅。調幅分為內力計算前調幅和內力計算后調幅。若內力計算前已降低了連梁剛度，其彎矩值就不宜再調幅?？蚣堋袅?、純剪結構的連梁剛度調幅后的彎矩不小于調幅前的0.8倍(6度～7度)和0.5倍(8度～9度)，因風載經常作用，計算風荷載時不應折減，以使梁保持彈性狀態(tài)不出現(xiàn)塑性鉸。折減后其余部位的連梁和墻肢應相應提高彎矩設計值。此時對于框架—剪力墻中兩端分別與柱和墻連接的連梁以及跨高比大于5的連梁建議不要剛度折減，因為這部分梁以重力效應為主要控制因素。c.按獨立墻肢進行結構內力分析。當連梁遭受破壞后，豎向荷載仍可以繼續(xù)通過其他路徑傳遞時，我們可以在大震作用下認為連梁退出工作，剪力墻成為獨立墻肢，在這種條件下再次進行多遇地震的結構內力分析，墻肢按前后兩次(即考慮連梁作用和不考慮連梁作用)計算內力的大值進行配筋。此種方法是假定連梁在大震時遭到破壞不能提供對墻肢的約束而單獨依靠墻肢自身工作，具體操作時可將連梁支座設為鉸接，此時剪力墻成為抗震第二道防線，其剛度降低，所以在第二次獨立墻肢計算時可以不對側移限制，但墻肢內力和配筋會加大以保證安全性。

5)改變連梁的配筋方式，即采用“集中對角斜筋”“交叉斜筋”“對角暗撐配筋”等方式，可以提高連梁的延性，同時不降低或有限度的折減連梁剛度(降低連梁相對作用剪力)。人為大幅度的折減連梁剛度以減少其所受到的地震剪力的做法，會導致連梁在地震作用下過早屈服，從而對延性的要求提高，且無法避免發(fā)生延性不足導致的剪切破壞，改變配筋方式可以很好的解決這一問題，其具體要求可參見《混凝土結構設計規(guī)范》第11.7.9～11.7.11條。

3 結語

通過上述內容的粗淺討論，我們可以對剪力墻中的連梁這一重要的抗震耗能構件有了一定的認識并掌握了大致的設計方法，但在具體設計計算的操作中，我們還是需要依靠自身的經驗對其不斷調整截面、配筋等，以讓連梁既能先于墻肢屈服成為很好的耗能構件，又要具有很高的延性不至于發(fā)生脆性破壞而導致剪力墻肢失去約束。我們只有從實際工程的設計操作中不斷體會，積累經驗，提高水平才能使類似細節(jié)設計不斷優(yōu)化，提升安全性。

[1] 李國勝.多高層鋼筋混凝土結構設計中疑難問題的處理及算例[M].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2] 龔思禮.建筑抗震設計手冊[M].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[3] GB 50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[4] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].

The problems discussion and design key points of related coupling beams in high-rise building

Wang Gang

(ShanxiArchitecturalDesignResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

Through the analysis on the working mechanism and failure mode of coupling beams, this paper understood its characteristics, according to the “strong limb weak beam”“strong shear weak bending” principle, discussed the design method of coupling beams, and puts forward the suggestions according to the common difficulty in high-rise building coupling beams design, provided basis for important energy consumption components research in coupling beams shear wall system.

coupling beam, shear wall, stiffness, ductility

1009-6825(2016)32-0050-03

2016-09-06

王 剛(1983- )，男，工程師

TU323.3

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