剪力墻結(jié)構(gòu)連梁抗震延性研究及思考

彭展健

（廣州市方圓建筑設(shè)計(jì)有限公司 廣東廣州 510620）

連梁作為剪力墻結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，理應(yīng)按預(yù)設(shè)的延性破壞模式首先屈服，發(fā)揮能量耗散的關(guān)鍵作用。但限于連梁自身跨度小、截面大以及相連墻體剛度大的特點(diǎn)，在實(shí)際破壞過程中產(chǎn)生較大的梁端彎矩及剪力，遠(yuǎn)超其自身承載能力，使連梁損傷嚴(yán)重，呈現(xiàn)出預(yù)設(shè)屈服模式以外的脆性破壞，從而影響結(jié)構(gòu)的整體延性。在實(shí)際工程中，普遍會(huì)遇到連梁超限以及連梁剛度折減幅度的問題。目前主流的解決問題的思路如同《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》所提出的措施一樣，對(duì)連梁剛度進(jìn)行剛度折減，使得連梁在中震作用下梁端出現(xiàn)彎曲塑性鉸，耗散地震能量，在較大地震作用下甚至失效破壞，同時(shí)輔以一系列特殊的抗震構(gòu)造措施，確保連梁即使屈服也不致呈現(xiàn)脆性破壞。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，進(jìn)行連梁剛度折減及連梁超限解決辦法方面的歸納總結(jié)。

1 關(guān)于連梁超限問題的解決方法

連梁在實(shí)際工作的過程中，極有可能因?yàn)樗降卣鸬淖饔卯a(chǎn)生承載力超限的問題，導(dǎo)致連梁結(jié)構(gòu)的破壞。于樂[1]在研究中指出，連梁超限具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是連梁抗彎超限，二是連梁抗剪截面不足，這兩種情況都是因?yàn)樗阶饔孟逻B梁的內(nèi)力超過了連梁結(jié)構(gòu)所能承載的閾值，導(dǎo)致出現(xiàn)脆性破壞，影響連梁延性。因此要研究連梁超限問題的解決方案，需要從提高連梁抗彎能力和抗剪能力著手著手，避免連梁產(chǎn)生塑性鉸后因過大的彎曲轉(zhuǎn)動(dòng)而失去延性變形的能力，也避免連梁呈現(xiàn)非延性的剪切破壞。

在連梁受彎超限問題的解決方案研究中，國(guó)外學(xué)者早期提出可通過不同的連梁配筋形式解決連梁抗彎問題。早在1960年，T.Paulay和J.R.Binney[2]便提出了采用對(duì)角線斜筋配筋的方式改善連梁的受彎超限問題，并通過大量的試驗(yàn)研究得出該方案有助于提升連梁結(jié)構(gòu)抗拉能力的結(jié)論。此外，學(xué)者G.G.Peenelis和I.A.Tegos[3]提出了菱形筋配筋的方案，并展開相應(yīng)的試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)連梁的抗剪強(qiáng)度與斜筋配筋率具有一定的關(guān)聯(lián)性，而菱形筋配筋的方式有助于提升連梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定度，更有利于連梁結(jié)構(gòu)功能發(fā)揮。在上述研究的基礎(chǔ)上，L.Galano和A.Vignoli[4]提出了混合配筋的方案，綜合了對(duì)角線斜筋配筋與菱形筋配筋的優(yōu)點(diǎn)，又有效的改良了其中的不足。國(guó)內(nèi)學(xué)者也針對(duì)不同配筋形式做了相關(guān)研究，諸如龔炳年[5]等人最早提出交叉配筋可使連梁有較好的塑性變形，孫占國(guó)[6]等人隨后提出菱形配筋可改善連梁延性，傅劍平[7]等人提出附加一定比例的交叉斜筋及菱形斜筋可較大提高連梁延性，以及張濤[8]提出將連梁箍筋沿截面高度分成三層，箍筋之間通過梁腹構(gòu)造鋼筋連接的配筋形式。

而近期，面對(duì)連梁容易出現(xiàn)抗彎超限的問題，國(guó)內(nèi)更多地關(guān)注如何降低連梁剛度。如程昌宏[9]提出剪力墻超限連梁塑性調(diào)幅的實(shí)用方法，為剪力墻連梁設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了參考；梁學(xué)元[10]針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)連梁超限問題，提出了“消極法”降低連梁強(qiáng)度、“積極法”提高連梁剛度的方案，強(qiáng)調(diào)連梁強(qiáng)度與剛度的適合性。范重[11]等人建立了連梁精細(xì)彈塑性模型，并通過滯回性能分析與能量等效方法得到用于連梁彈塑性分析的彎矩-轉(zhuǎn)角骨架曲線，用該骨架曲線在SAP2000軟件及PERFORM-3D軟件進(jìn)行驗(yàn)證，連梁在小震作用下就開始剛度退化，在中震及大震作用下能較好地滯回耗能，使結(jié)構(gòu)呈延性破壞。在連梁抗剪截面不足的問題中，采用調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力形式進(jìn)行優(yōu)化是目前主要的研究成果，即目前規(guī)范中建議的對(duì)連梁剛度折減。趙毅強(qiáng)和陳宇[12]提出運(yùn)用剪力釋放方法，人為降低連梁支座剛度，允許連梁破壞，減小連梁所受剪力。高文皂等[13]對(duì)個(gè)別超限連梁，依據(jù)改變連梁剪壓比的幾個(gè)關(guān)聯(lián)變量，提出改變梁高、連梁中間設(shè)縫、塑性調(diào)幅、剛度折減的解決方案，為建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供參考。此外，還可提高連梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)，或在連梁中加鋼板等方法，甚至采用隔減震結(jié)構(gòu)的方法，直接提高連梁的抗剪能力或改變連梁所受內(nèi)力來解決超限問題。王明振[14]甚至運(yùn)用隔減震結(jié)構(gòu)構(gòu)件的方法，布置軟鋼阻尼器，對(duì)連梁進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)，改變連梁的剛度和阻尼比。楊少華[15]則提出把型鋼混凝土構(gòu)件應(yīng)用到結(jié)構(gòu)薄弱位置或結(jié)構(gòu)薄弱性能方面，發(fā)揮其承載力高的優(yōu)點(diǎn)，諸如采用型鋼混凝土組合的方法加強(qiáng)豎向構(gòu)件，以采用此方法大幅提高連梁抗剪承載力，使結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)弱連梁強(qiáng)墻肢，弱彎曲強(qiáng)剪切。梁?jiǎn)⒅荹16]等經(jīng)試驗(yàn)研究所得，型鋼混凝土連梁在低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線較為飽滿，具有較好的延性耗能能力。

2 關(guān)于連梁剛度折減系數(shù)取值及思考

按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010），抗震計(jì)算時(shí)，可對(duì)連梁剛度折減，折減系數(shù)不宜小于0.5，以考慮連梁在地震作用下率先進(jìn)入彈塑性階段，成為抗震體系中關(guān)鍵的耗能構(gòu)件。但實(shí)際這個(gè)折減系數(shù)的取值具體是多少，規(guī)范并未明確，而且在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的所有連梁均采用統(tǒng)一的折減系數(shù)。不同的建筑平面會(huì)帶來不同的結(jié)構(gòu)布置，不同的結(jié)構(gòu)布置會(huì)造成不同部位連梁在地震作用下的損傷程度不同。連梁剛度折減系數(shù)對(duì)于連梁耗散地震能量，促進(jìn)結(jié)構(gòu)呈延性破壞機(jī)制的效果如何，仍有待實(shí)際檢驗(yàn)。

范重[11]等人以一個(gè)雙肢剪力墻為算例，通過動(dòng)力彈塑性分析，發(fā)現(xiàn)小震作用下連梁已經(jīng)開始進(jìn)入塑性，構(gòu)件剛度退化至78%左右；中震作用下連梁的剛度退化至55%左右；大震作用下各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)一步降低。該研究準(zhǔn)確的模擬了小震與中震作用下剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度折減系數(shù)變化及塑性變形耗能情況，對(duì)于解決連梁受彎超限問題具有較高的指導(dǎo)借鑒作用。侯曉武等[17]也指出，現(xiàn)有的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，普遍存在連梁剛度折減系數(shù)設(shè)置不能考慮不同位置構(gòu)件損傷程度的差異、框架梁和剪力墻損傷未能納入結(jié)構(gòu)優(yōu)化考慮范圍，以及用戶較難確定結(jié)構(gòu)在中震或大震作用下的附加阻尼比等問題，其通過彈塑性分析得出高層建筑結(jié)構(gòu)在中震及大震下的剛度折減系數(shù)及附加阻尼比，發(fā)現(xiàn)中震作用下大部分剪力墻連梁剛度折減為0.8～1倍，全部框架梁剛度折減系數(shù)范圍為0.8～1倍，大震作用下構(gòu)件損傷均有一定程度的增加。張琳[18]針對(duì)某狹長(zhǎng)平面的高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)，驗(yàn)算層間位移角時(shí)連梁剛度折減系數(shù)取1，以考慮該建筑在風(fēng)荷載控制作用下層間位移角不超限，然后引入連梁剛度折減系數(shù)取0.7的另一情況，兩者包絡(luò)設(shè)計(jì)。

3 思考

連梁實(shí)際的剛度折減與地震作用、結(jié)構(gòu)平面布置息息相關(guān)，然而現(xiàn)在的連梁剛度折減系數(shù)大多都帶有一定經(jīng)驗(yàn)性，對(duì)于結(jié)構(gòu)不同位置連梁，難以真實(shí)模擬其在地震作用下的剛度折減，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)平面特殊、體型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，更應(yīng)對(duì)其連梁構(gòu)件的設(shè)計(jì)予以充分考慮，確保結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后，連梁具有足夠的延性。對(duì)于此類平面特殊、體型復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，除應(yīng)按照規(guī)范，滿足連梁剛度折減系數(shù)取值要求外，還應(yīng)以彈塑性分析作為手段進(jìn)行基于預(yù)設(shè)屈服模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，“大震設(shè)計(jì)、小震驗(yàn)算”，通過連梁構(gòu)件滯回特性確定其剛度折減系數(shù)，確保結(jié)構(gòu)在大震作用下構(gòu)件按照預(yù)設(shè)的先后屈服順序，同時(shí)也要保證構(gòu)件能滿足小震作用下不影響使用的要求。