關(guān)于剪力墻連梁設(shè)計中的若干問題分析

文/劉銀 華東建筑設(shè)計研究院有限公司大連分公司 遼寧大連 116500

1、連梁剛度折減及電算模擬

1.1 連梁的工作機(jī)理分析

在風(fēng)和地震作用等水平荷載作用下，墻肢產(chǎn)生彎曲或剪切變形，使連梁相對墻肢產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，從而使連梁產(chǎn)生內(nèi)力。同時連梁端部的彎矩、剪力和軸力又反過來影響了墻肢的內(nèi)力和變形，對墻肢起到了一定的約束作用，改善了墻肢的受力狀態(tài)。高層建筑剪力墻中的連梁在水平荷載作用下的破壞可分兩種，即脆性破壞(剪切破壞 )和延性破壞(彎曲破壞 )。連梁在發(fā)生脆性破壞時就喪失了承載力，各墻肢喪失了連梁對它的約束作用，將成為獨(dú)立墻肢。這會使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大降低，變形加大，并最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌。連梁在發(fā)生延性破壞時，梁端形成塑性絞，結(jié)構(gòu)剛度降低，變形加大，從而消耗地震能量。此時連梁仍能繼續(xù)傳遞彎矩和剪力，對墻肢起到一定的約束作用，使剪力墻保持足夠的剛度和強(qiáng)度。在這一過程中，連梁起到了一種耗能的作用，對減少墻肢內(nèi)力，延緩墻肢屈服有著重要的作用。

1.2 連梁剛度折減系數(shù)取值

伴隨著連梁梁端產(chǎn)生塑性變形，結(jié)構(gòu)剛度退化，變形加大，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)內(nèi)力重分布，剪力墻墻肢內(nèi)力加大，所以內(nèi)力和位移計算中對連梁剛度應(yīng)予折減?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第5.2.1條文說明指出，在不影響承受豎向荷載能力的前提下，允許其適當(dāng)開裂（降低剛度）而把內(nèi)力轉(zhuǎn)移到墻體上。通常，設(shè)防烈度低時可少折減一些（6、7度時可取0.7），設(shè)防烈度高時可多折減一些（8、9度時可取0.5）。折減系數(shù)不宜小于0.5，以保證連梁承受豎向荷載的能力。對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中一端與柱連接、一端與墻連接的梁以及剪力墻結(jié)構(gòu)中的某些連梁，如果跨高比較大（比如大于5）、重力作用效應(yīng)比水平風(fēng)或水平地震作用效應(yīng)更為明顯，此時應(yīng)慎重考慮梁剛度的折減問題，必要時可不進(jìn)行梁剛度折減，以控制正常使用階段梁裂縫的發(fā)生和發(fā)展。明確說僅在計算地震作用效應(yīng)時可以對連梁剛度進(jìn)行折減，對如重力荷載、風(fēng)荷載作用效應(yīng)計算不宜考慮連梁剛度折減。有地震作用效應(yīng)組合工況，均可按考慮連梁剛度折減后計算的地震作用效應(yīng)參與組合。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010的6.2.13條文說明指出計算地震內(nèi)力時，抗震墻連梁剛度可折減；計算位移時，連梁剛度可不折減。又參考廣東省標(biāo)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》DBJ15-92-2013（以下簡稱《高規(guī)》），高層建筑結(jié)構(gòu)計算時，框架-剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁剛度可予以折減，抗風(fēng)設(shè)計控制時， 折減系數(shù)不宜小于0.8；抗震設(shè)計控制時，折減系數(shù)不宜小于0.5；作設(shè)防烈度（中震）構(gòu)件承載力校核 時不宜小于0.3。實際工程依據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)程以及結(jié)構(gòu)整體計算指標(biāo)靈活處理。

1.3 電算程序中連梁模擬

連梁計算模型的不同，計算結(jié)果的差異較大。目前大家常用的結(jié)構(gòu)分析軟件在建立空間整體分析模型時，對連梁按以下兩種情況模擬：

1）對連梁按梁元模擬（即桿元），連梁兩端與墻肢變形協(xié)調(diào)，連梁的抗彎剛度計算值要小于按墻元（剪力墻開洞形成的連梁）的計算結(jié)果。

2）對連梁按剪力墻開洞模擬，連梁實際是墻的一部分，連梁四角與墻肢協(xié)調(diào)。

關(guān)于用哪種形式對連梁進(jìn)行模擬，規(guī)范及規(guī)程未做明確說明。僅廣東省標(biāo)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》DBJ15-92-2013第5.1.4條指出，當(dāng)連梁的跨高比小于2時，宜用殼單元模擬（即墻元）。所以實際工作中建議按以下方式處理：

a)連梁跨高比≥5時，按梁元模擬；b)連梁跨高比≤2時，按墻元模擬；c)連梁跨高比大于2小于5時，可視具體情況靈活處理。但是設(shè)計時還是盡量控制連梁跨高比＞2.5為宜，這樣連梁的抗剪承載力相對較高，較為經(jīng)濟(jì)。（從《混規(guī)》11.7.9條、《高規(guī)》7.2.22～7.2.23條、《抗規(guī)》6.2.9條等均可得出結(jié)論）

2、連梁超筋處理

《高規(guī)》7.2.24及7.2.25條對連梁的最小及最大配筋率作了相應(yīng)要求，且最大配筋率的要求較普通框架梁更為嚴(yán)格，所以在設(shè)計過程中一般較易出現(xiàn)超筋現(xiàn)象。對連梁的超筋超限應(yīng)進(jìn)行分析判斷并采取適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，可按?guī)范的要求進(jìn)行如下處理：

1）連梁調(diào)幅處理

抗震設(shè)計剪力墻中連梁的彎矩和剪力可進(jìn)行塑性調(diào)幅。《高規(guī)》5.2.3條指出，在豎向荷載作用下，可考慮框架梁塑性變形內(nèi)力重分布對梁端負(fù)彎矩乘以調(diào)幅系數(shù)進(jìn)行調(diào)幅。而對連梁則沒有限制其只能對豎向荷載下的內(nèi)力調(diào)幅，可以是對連梁端彎矩組合值的調(diào)幅。但在結(jié)構(gòu)整體計算中已對連梁進(jìn)行了剛度折減時，其調(diào)幅范圍應(yīng)限制或不再調(diào)幅。朱炳寅《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及分析》3.3.5條建議，經(jīng)全部調(diào)幅（包括計算中連梁剛度折減和對計算結(jié)果的后期調(diào)幅）后的彎矩設(shè)計值不宜小于調(diào)幅前（完全彈性）的0.8倍（6、7度）和0.5倍（8、9度）。此調(diào)整方法考慮連梁端部的塑性內(nèi)力重分布，對跨高比較大的連梁效果比較好，而對跨高比較小的連梁效果差。

2）減小連梁的截面

降低連梁的截面高度或采取其他減小連梁剛度的措施，從而達(dá)到減小連梁計算內(nèi)力目的，同時加大剪力墻的地震效應(yīng)值。

3）連梁的鉸接處理

此處理辦法是針對之前講的跨高比大于的2的且按梁元輸入的連梁。當(dāng)連梁不作為次梁或主梁的支承梁時（《高規(guī)》7.1.5條，樓面梁不宜支承在剪力墻或核心筒的連梁上。），可假定該連梁在大震下的破壞（連梁按兩端鉸接梁計算），對剪力墻按獨(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，墻肢應(yīng)按兩次計算所得的較大內(nèi)力進(jìn)行配給設(shè)計，以保證墻肢的安全。

實用且簡便的對連梁超筋的處理方法，參考朱炳寅《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及分析》3.3.5條（第198頁），通過改變連梁計算截面高度，尋求與實際截面連梁的最大抗剪承載能力所對應(yīng)的截面彎矩設(shè)計值，及與之相應(yīng)的剪力墻內(nèi)力及配筋。

結(jié)語：

連梁是剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的關(guān)鍵構(gòu)件，相關(guān)問題也是錯綜復(fù)雜，設(shè)計時要把互相制約的因素統(tǒng)一協(xié)調(diào)，以取得比較理想的結(jié)果。正確處理連梁相關(guān)的一些問題，做到安全可靠且經(jīng)濟(jì)實用。