淺談剪力墻結(jié)構(gòu)連梁設(shè)計(jì)

李煥成

摘 要：本文主要針對剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁設(shè)計(jì)的一些問題進(jìn)行論述，指出幾種新型連梁結(jié)構(gòu)體系及優(yōu)缺點(diǎn)，通過討論，對提高連梁的設(shè)計(jì)有一定的幫助。

關(guān)鍵詞：剪力墻結(jié)構(gòu)連梁；跨高比；抗剪承載力

從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)近二十多年來，在剪力墻結(jié)構(gòu)連梁設(shè)計(jì)上按照現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范也嘗試過一些工程，從中總結(jié)一些經(jīng)驗(yàn)，以供探討。

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，連接墻肢與墻肢的梁稱為連梁。連梁一般具有跨度小、截面大、與連梁的墻體剛度很大等特點(diǎn)。連梁除了承受豎向荷載外，還要承受風(fēng)荷載和水平地震作用等水平荷載的作用，將產(chǎn)生很大的內(nèi)力。因此，在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)連梁無法使連的截面設(shè)計(jì)符合要求。本文主要是討論剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題，列舉幾種新型連梁結(jié)構(gòu)體系及其優(yōu)缺點(diǎn)，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議。

1.聯(lián)肢墻在水平荷載作用下的破壞機(jī)制

1.1連梁的作用

在水平荷載作用下，墻肢發(fā)生彎曲變形，使連梁端部產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，從而使連梁產(chǎn)生內(nèi)力，同時(shí)連梁端部的內(nèi)力又反過來減小與之相連的墻肢的內(nèi)力和變形，對墻肢起到一定的約束作用，改善墻肢的受力狀態(tài)。因此，連梁對于剪力墻結(jié)構(gòu)尤為重要，它在起到連接墻肢作用的同時(shí)，還對連接的墻肢起到一定的約束作用。

1.2聯(lián)肢墻在水平荷載作用下的破壞機(jī)制

1.2.1連肢墻的脆性破壞

聯(lián)肢墻的脆性破壞有以下兩種情況：墻肢發(fā)生脆性破壞和連梁發(fā)生脆性破壞。當(dāng)脆性破壞發(fā)生于墻肢，會(huì)使剪力墻很快喪失承載能力，甚至造成結(jié)構(gòu)的突然倒塌，這是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)絕對避免的?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定了抗震墻截面的剪壓比限值和抗震等級為一、二級時(shí)抗震墻底部加強(qiáng)部位剪力設(shè)計(jì)值得放大系數(shù)，就是為了防止墻肢早于彎曲破壞發(fā)生剪切破壞。當(dāng)連梁發(fā)生脆性破壞，連梁將喪失其承受載能力，如果沿剪力墻全高所有的連梁均發(fā)生剪切破壞，連梁就會(huì)喪失對墻肢的約束作用，從而使墻肢成為單片的懸臂墻。由此將導(dǎo)致剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大降低，變形加大，墻肢彎矩加大，并且進(jìn)一步增加P-△效應(yīng)，并最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌。為了防止連梁早于彎曲破壞而發(fā)生剪切破壞，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對連梁截面的剪壓比限值和抗震等級為一、二級時(shí)連梁端部建立設(shè)計(jì)值得調(diào)整系數(shù)作了具體的規(guī)定。

1.2.2聯(lián)肢墻的延性破壞

聯(lián)肢墻的延性破壞也可分為兩種情況：墻肢發(fā)生延性破壞和連梁發(fā)生延性破壞。當(dāng)墻肢首先發(fā)生彎曲破壞，連梁尚未屈服，剪力墻結(jié)構(gòu)在破壞時(shí)極限變形較小，因此，對有抗震設(shè)防要求的建筑來說，它雖然是一種延性破壞，但耗能能力較差，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該避免這種情況發(fā)生。當(dāng)連梁先屈服，連梁端部出現(xiàn)垂直裂縫，受拉區(qū)出現(xiàn)細(xì)微裂縫，在水平地震作用下出現(xiàn)交叉裂縫，并形成塑性絞，結(jié)構(gòu)剛度降低，變形加大，從而吸收大量的地震能量，同時(shí)結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)減小。另一方面，連梁出現(xiàn)塑性絞鉸后并未完全喪失承載能力，它仍能通過塑性鉸繼續(xù)傳遞一定的彎矩和剪力，對墻肢起到一定的約束作用。研究指出，為了保證聯(lián)肢墻的延性要求，對連梁的延性要求非常高的。因此，在設(shè)計(jì)高層建筑剪力墻時(shí)，必須十分注意保證連梁的延性系數(shù)。

2.幾種新型連梁結(jié)構(gòu)體系

為解決傳統(tǒng)所存在的設(shè)計(jì)問題，目前有如下幾種新型連梁結(jié)構(gòu)體系：

2.1斜對角交叉配筋鋼筋混凝土連梁結(jié)構(gòu)體系

20世紀(jì)70年代初，為解決跨高比較小的深連梁的設(shè)計(jì)問題，新西蘭T.paulay教授等提出了斜對角交叉配筋的連梁。該連梁受力及變形性能較好，滯回曲線豐滿、穩(wěn)定，耗能性能好，延性大。但該連梁采用對角線配筋用鋼量大、施工要求高，推廣應(yīng)用受到一定的限制。

2.2菱形配筋混凝土連梁結(jié)構(gòu)體系

為了克服上一種連梁結(jié)構(gòu)體系的不租，上海城市建設(shè)學(xué)院的戴瑞同等人提出菱形配筋鋼筋混凝土連梁結(jié)構(gòu)體系。該連梁具有較好的受力性能，在跨高比、縱向配筋率等條件相同的情況下，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)連梁。菱形配筋連梁的強(qiáng)屈比高于平行配筋連梁，由于主斜向鋼筋承擔(dān)了大部分剪力，使得其所能承受的剪力高于傳統(tǒng)連梁，降低了連梁扭剪變形在總變形中所占的比例。同時(shí)，菱形配筋連梁所能達(dá)到的轉(zhuǎn)角延性系數(shù)和功比指數(shù)均高于傳統(tǒng)連梁，說明該連梁體系可較大程度地提高連梁延性和耗能性能。但該連梁在施工等方面要求較高，推廣應(yīng)用也要受到一定的限制。

2.3菱形斜筋鋼筋混凝土連梁結(jié)構(gòu)體系

重慶大學(xué)土木工程學(xué)院的傅劍平、白紹良等人提出了在傳統(tǒng)配筋的基礎(chǔ)上同時(shí)加設(shè)交叉斜筋和由上下兩組相互倒置的L形筋組成的菱形斜筋的新型連梁結(jié)構(gòu)體系。其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在雙向交叉斜向鋼筋在梁腹內(nèi)布置較分散、較均勻，不僅可以有效防止過早發(fā)生的“錯(cuò)動(dòng)型剪切破壞”，而且能使腹板混凝土沿斜向較均勻受壓，加之斜筋分擔(dān)了部分斜向壓力，而L形筋還提供了少量側(cè)向約束，因而由梁腹混凝土斜向壓漬導(dǎo)致的剪切破壞發(fā)生較遲，使連梁發(fā)揮出良好的延性性能。

2.4勁性鋼筋混凝土連兩結(jié)構(gòu)體系

高層剪力墻結(jié)構(gòu)由于建筑、設(shè)備安裝及經(jīng)濟(jì)上的要求，連梁高度受到限制。而采用勁性鋼筋混凝土連梁結(jié)構(gòu)，通過增加用鋼量以減小連梁截面尺寸，來滿足要求。20世紀(jì)90年代初期，有關(guān)學(xué)者進(jìn)行勁性鋼筋混凝土連梁結(jié)構(gòu)體系的研究。結(jié)果指出，該連梁具有較大的變形能力和延性系數(shù)，且隨著變形的增大，滯回曲線變得十分豐滿，表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗震耗能能力。所以，該連梁的應(yīng)用為連梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新型的結(jié)構(gòu)形式。

2.5新型組合連梁控制結(jié)構(gòu)體系

該新型組合連梁是由角鋼組成的空間桁架組成，和傳統(tǒng)連梁相比自重降低，墻肢中的軸力減??；鋼桁架結(jié)構(gòu)不但延性好，而且受力機(jī)理也比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)簡單明了，便于設(shè)計(jì)成延性破壞的連梁；在中間支撐上可以非常方便地設(shè)置摩擦耗能阻尼控制裝置，可以有效地實(shí)現(xiàn)耗能減震，進(jìn)而提高剪力墻結(jié)構(gòu)體系的整體抗震性能；在大震情況下，梁端產(chǎn)生塑性鉸之后會(huì)影響正常使用，采用鋼結(jié)構(gòu)連梁可以很方便地更換維修，這一點(diǎn)是鋼筋混凝土連梁幾乎無法實(shí)現(xiàn)的?？傊?，該新型組合連梁為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種新的選擇。

3.連梁設(shè)計(jì)的建議

在帶連梁的剪力墻設(shè)計(jì)中，連梁的跨高比和截面尺寸受到許多因素的影響，跨高比常小雨2.5或更小。這類連梁在水平地震作用下容易出現(xiàn)承載力超限的情況，如果結(jié)構(gòu)只有少量連梁承載力超限，當(dāng)這些連梁出現(xiàn)并形成塑性鉸時(shí)，就會(huì)有部分彎矩轉(zhuǎn)移墻肢。一般情況下，墻肢的強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)承受這些增加的彎矩。如果沿墻身有較多的連梁超限而屈服時(shí)，墻肢就會(huì)增加較大的彎矩，應(yīng)當(dāng)考慮對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，或重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。下面對剪力墻連梁設(shè)計(jì)時(shí)，連梁出現(xiàn)承載力超限或連梁截面不符合設(shè)計(jì)要求，提出設(shè)計(jì)建議。

3.1對連梁的剛度進(jìn)行折減

連梁由于跨高比較小，與之相連的墻肢剛度大等原因，在水平力作用的內(nèi)力往往很大，連梁屈服時(shí)表現(xiàn)為梁端出現(xiàn)裂縫，剛度減小，內(nèi)力重分布。因此在開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，就需對連梁剛度進(jìn)行折減。根據(jù)《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》第5.2.1條規(guī)定：“在內(nèi)力與位移計(jì)算中，抗震設(shè)計(jì)的框架一剪力墻或剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁剛度可予以折減，折減系數(shù)不宜小于0.5”。

該規(guī)程之所以考慮對連梁的剛度進(jìn)行折減，是由于在水平荷載作用下，混凝土的開裂引起了剛度的降低。在水平地震作用下，連梁的裂縫開展和塑性變形壁在風(fēng)荷載作用下的更大。因此，連梁在水平地震作用下的剛度降低的更多。但是，連梁的剛度折減得愈多，即連梁取用的折減系數(shù)愈小，就意味著設(shè)計(jì)荷載作用下裂縫開展得愈大。在承載力超限時(shí)，如發(fā)生強(qiáng)風(fēng)或地震烈度超過多遇地震烈度時(shí)，連梁的塑性鉸也會(huì)出現(xiàn)的愈早，這就要求設(shè)計(jì)人員更加注意加強(qiáng)連梁的延性和使連梁符合“強(qiáng)剪弱彎”的要求。

對于以風(fēng)荷載為控制因素的高層建筑，為了避免連梁在使用荷載作用下裂縫開展過大，剛度折減系數(shù)應(yīng)取較大值；對于以水平地震作用為控制因素的高層建筑，則可取較小的剛度折減系數(shù)，但為了保證連梁的延性要求，連梁的剛度折減系數(shù)不應(yīng)小于0.5；《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》還規(guī)定“在豎向荷載作用下可以考慮梁端塑性變形內(nèi)力重分布，而對梁端負(fù)彎矩進(jìn)行調(diào)幅”。因此，在計(jì)算連梁豎向荷載作用下的內(nèi)力時(shí)，對已經(jīng)考慮了梁端負(fù)彎矩調(diào)幅的連梁，不應(yīng)再考慮剛度折減。

3.2增加剪力墻洞口的寬度、減小連梁高度

增加剪力墻洞口的寬度，即增加連梁跨度，減小連梁高度，其目的是減小連梁剛度，同時(shí)由于減小了結(jié)構(gòu)的整體剛度，也就減小了地震作用的影響，使連梁的承載力有可能不超限。

3.3提高混凝土等級

提高剪力墻的混凝土等級，其彈性模量（反映為結(jié)構(gòu)的地震作用影響）增加的比例遠(yuǎn)小于混凝土抗剪承載力提高的比例，因此也有可能使連梁的抗剪承載力不超限。

3.4連梁剛度折減后，仍有部分連梁承載力不符合要求時(shí)的處理。

《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》第7.2.25條規(guī)定了連梁可進(jìn)行彎矩調(diào)幅以降低剪力設(shè)計(jì)值。首先，連梁的彎矩實(shí)際值包括豎向和水平兩部分荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力。關(guān)于豎向荷載作用下的連梁負(fù)彎矩的調(diào)幅前面已作分析，此處的彎矩調(diào)整不應(yīng)該包括豎向荷載產(chǎn)生的彎矩在內(nèi)。

其次，對連梁的剛度已經(jīng)充分折減后，彎矩調(diào)整應(yīng)慎重。同樣，當(dāng)為荷載控制時(shí)，在對連梁剛度進(jìn)行折減后，連梁的彎矩設(shè)計(jì)值不宜再進(jìn)行調(diào)整。在進(jìn)行塑形內(nèi)力重分布時(shí)，平衡條件是必須滿足的，故用提高其它部位連梁的彎矩來滿足平衡條件是否合理，值得考慮。由于墻肢的抗彎剛度較大，內(nèi)力的重分布將由墻肢承擔(dān)相當(dāng)大的比例，只有當(dāng)墻肢屈服了，全部不平衡彎矩才會(huì)通過墻肢的軸力向上下層的連梁轉(zhuǎn)移。而墻肢的屈服一般晚于連梁的屈服，因此，簡單地將不平衡彎矩項(xiàng)連梁轉(zhuǎn)移是不合理的。同時(shí)，連梁彎矩的增加，其剪力也會(huì)增加，且連梁的跨高比較小，故在連梁產(chǎn)生塑性鉸之前，連梁可能超過其最大抗剪承載力，如前所述，連梁將發(fā)生脆性破壞。因此，當(dāng)發(fā)生連梁的截面抗剪承載力超限時(shí)，應(yīng)該按照“強(qiáng)剪弱彎”的原則，反算出連梁的彎矩，以此作為連梁的最大彎矩進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的幅度也不宜超過20%。

對于風(fēng)荷載起控制作用的高層建筑，如果對超限的連梁采取剛度折減后，仍未能解決其承承載力超限時(shí)，不宜再對連梁的內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整。而應(yīng)采取增加剪力墻的厚度，以提高連梁的抗剪承載力，使連梁的內(nèi)力符合截面設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)，也可以增加剪力墻洞口的寬度、減小連梁高度，以降低連梁的剛度，使連梁的內(nèi)力符合截面設(shè)計(jì)的要求。

對于水平地震作用起控制的高層建筑，如果對超限的連梁采取剛度折減后，仍未解決其承載力超限時(shí)，應(yīng)具體情況具體分析，采取相應(yīng)的措施：首先，如果超筋或超限的連梁數(shù)量較多、結(jié)構(gòu)的剛度較大、位移比規(guī)定的限值小得較多時(shí)，可采取增加剪力墻洞口的寬度、減小連梁高度等方法，使連梁的內(nèi)力減小。其次，如果只有部分連梁超筋或超限，可采取調(diào)整連梁內(nèi)力的方法來解決，具體措施如前所述，調(diào)整的幅度不宜超過20%，且連梁必須滿足“強(qiáng)剪弱彎”的要求。最后，如果結(jié)構(gòu)的剛度較小，則不應(yīng)該再對連梁的內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整，而應(yīng)采取增加剪力墻的厚度等方法，以減小連梁的內(nèi)力，使之符合要求。

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