剪力墻連梁超限問題的處理方法

黃起益

(廈門大學嘉庚學院 福建漳州 363105)

0 引言

在高層建筑混凝土結構設計中，不論是剪力墻結構、框架-剪力墻結構，還是筒體結構，剪力墻連梁都很容易發(fā)生超筋超限現(xiàn)象。尤其是設防烈度高、基本風壓大的地區(qū)，該現(xiàn)象更為明顯[1-2]。

從汶川地震的破壞現(xiàn)場可以看到，雖然剪力墻連梁是一種很重要的耗能構件，但是當連梁過早發(fā)生剪切破壞時，便失去了作為耗能構件的意義，不僅不能起到良好的耗能效果，也未能起到保護墻體的作用[3]。迄今為止盡管各種新型剪力墻的相關研究成果非常豐富，但在超高層建筑和高層建筑中現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構仍然是應用最為普遍的一種[4]。研究鋼筋混凝土剪力墻結構及其破壞模式仍具有普遍適用性，而作為耗能構件的連梁，如何保證連梁不發(fā)生剪切破壞，并解決在設計過程中遇到的超筋超限問題便成為一個棘手又重要的研究內容。

1 連梁定義

通常把利用建筑物墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結構，稱為剪力墻結構。在抗震地區(qū)，也稱為抗震墻結構。

剪力墻結構設計時，剪力墻布置不宜過長，《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3-2010)(以下簡稱《高規(guī)》)規(guī)定墻段長度不宜大于8 m[5]。為此，墻長超過8m剪力墻通常會進行開洞處理，形成聯(lián)肢剪力墻(雙肢或多肢)。聯(lián)肢剪力墻之間，兩端與剪力墻在平面內相連的梁即為連梁。

當梁一端為框架柱另一端為剪力墻或兩端均為剪力墻但跨高比不小于5時，宜按框架梁設計。在梁平法施工圖[6]中，前者用KL或WKL編號，后者用LLk編號，如圖1所示。為了避免靠近墻側梁端發(fā)生剪切破壞，梁箍筋宜全長加密，并適當加強(如加大箍筋直徑、增加箍筋肢數(shù)或減少箍筋間距)。

(a) (b)

(c) (d)

(c)圖1 梁編號

(a)兩端均為墻肢(跨高比<5)；

(b)兩端均為墻肢(跨高比≥5)；

(c)一端為框架柱，一端為剪力墻；

(d)兩端均為框架柱；

(e)一端在剪力墻平面內，一端在剪力墻平面外。

2 聯(lián)肢剪力墻破壞形態(tài)與連梁設計原則

在剪力墻結構延性設計中，連梁是最主要的抗震耗能構件。吸能耗能是連梁很重要的一個作用。

當連梁的剛度和抗彎承載力遠遠小于墻肢的剛度和抗彎承載力，且連梁具有足夠的延性時，則連梁端部會先形成塑性鉸、墻肢底部塑性鉸后形成，這樣的剪力墻結構延性最好[7]，如圖2(a)所示。

(a) (b)

(c) (d)圖2 聯(lián)肢剪力墻的破壞形態(tài)

連梁端部在形成塑性鉸的過程中能夠吸收地震能量，起到一定耗能作用。同時，連梁在形成塑性鉸的時候，能夠繼續(xù)傳遞彎矩和剪力，對墻肢形成的約束彎矩使剪力墻保持足夠的剛度與承載力，從而使墻肢底部的塑性鉸同樣具有一定的延性。

(a)連梁端部先形成塑性鉸，墻肢底部塑性鉸后形成；

(b)連梁未屈服，墻肢底部出現(xiàn)塑性鉸；

(c)連梁發(fā)生剪切破壞，墻肢底部出現(xiàn)塑性鉸；

(d)墻肢底部剪切破壞。

當連梁的剛度和抗彎承載力很大時，連梁很難屈服，無法形成塑性鉸，又或者當連梁的剛度和抗彎承載力很小時，連梁發(fā)生剪切破壞，同樣無法形成塑性鉸。此兩種情況連梁均無法有效吸收地震能量，所以只能靠墻肢自身吸收。當墻肢底部具有足夠延性時，此兩種情況都能促使墻肢底部形成塑性鉸，結構具有一定延性，屬于延性的彎曲破壞，如圖2(b)、(c)所示。

當連梁的剛度和抗彎承載力過大，且墻肢底部延性不足時，墻肢底部有可能發(fā)生剪切破壞，如圖2(d)所示。這是一種脆性破壞，對結構最不利，在結構設計中應當避免。另外，還要對受壓墻肢采取一定的加強措施，防止因受拉墻肢發(fā)生水平裂縫或屈服引起的塑性內力重分布對受壓墻肢產生的不利影響。

剪力墻作為多道防線概念設計的第一道防線，其延性設計非常重要。結合以上聯(lián)肢剪力墻的破壞形態(tài)，聯(lián)肢剪力墻延性設計時應該按照“強墻弱梁”原則進行設計。

要設計“強墻弱梁”的聯(lián)肢剪力墻，可以按以下步驟設計：

(1)設計延性墻肢，確保墻肢不會發(fā)生剪切破壞；

(2)讓連梁屈服早于墻肢屈服；

(3)設計延性連梁，防止連梁過早出現(xiàn)剪切破壞。

基此，當連梁屈服后，可以吸收地震能量，同時又能繼續(xù)起到約束墻肢的作用，使聯(lián)肢墻的剛度與承載力均維持在一定水平。而為了讓連梁屈服早于墻肢屈服，對連梁剛度進行折減(《高規(guī)》規(guī)定折減系數(shù)不宜小于0.5)或者對連梁梁端負彎矩進行調幅(參照《高規(guī)》框架梁負彎矩調幅系數(shù)，可取0.8～0.9)來降低梁端負彎矩，然后按降低后的彎矩進行配筋，這樣可以使連梁梁端抗彎承載力降低，較早出現(xiàn)塑性鉸，進而降低梁中的平均剪應力，達到延性設計目的。

要使連梁具有延性，還要按照“強剪弱彎”的構件設計要求，并根據《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)(2016年版)(以下簡稱《抗規(guī)》)第6.2.4條規(guī)定[8]，使連梁的剪力設計值等于或大于連梁在抗彎極限狀態(tài)下對應的剪力，即：

3 連梁超限問題的處理方法

對于聯(lián)肢剪力墻，連梁不僅是影響剪力墻剛度和承載力的重要構件，還是對剪切變形相對敏感，又容易發(fā)生剪切破壞的構件。在實際項目中，大部分剪力墻連梁超筋超限現(xiàn)象都是由剪壓比不足造成的。為了解決這一問題，防止連梁過早發(fā)生剪切破壞，主要從結構概念設計和結構構件設計兩大方面考慮。

3.1 結構概念設計

3.1.1結構整體剛度

當?shù)撞靠偧袅ο嗖钶^多時，結構的選型和總體布置需重新調整，不能僅采用乘以增大系數(shù)方法處理。滿足最小地震剪力是結構后續(xù)抗震計算的前提，只有調整到符合最小剪力要求，才能進行相應的地震傾覆力矩、構件內力、位移等的計算分析。

彈性變形驗算屬于正常使用極限狀態(tài)的驗算。第一階段設計時，以彈性層間位移角表示，保證結構在多遇地震作用下，建筑主體結構不受損壞，非結構構件沒有過重破壞并導致人員傷亡，保證建筑的正常使用功能。

剪重比不滿足要求時的處理方法：

(1)軟件處理：

SATWE(1)軟件版本：PKPM2010 V4.3.4：在“參數(shù)定義”-“調整信息2”中勾選“按《抗規(guī)》第5.2.5條調整各樓層地震內力”，程序會按抗規(guī)要求自動將樓層最小地震剪力系數(shù)直接乘以該層及以上重力荷載代表值之和，用以調整該樓層地震剪力，以滿足剪重比要求。

YJK(2)軟件版本：YJK V2016-2.0.0：在“計算參數(shù)”-“設計信息”-“最小剪重比地震內力調整”中勾選“按《抗規(guī)》第5.2.5條調整各樓層地震內力”。

(2)結構調整：當剪重比偏小且與規(guī)范限值相差較大時，宜加大豎向構件截面(主要是墻長和墻寬)，改變平面布置或者增加豎向構件數(shù)量，加強墻柱等豎向構件的剛度。

層間位移角不滿足要求時的處理方法：

(1)軟件處理：目前SATWE和YJK均不能通過調整結構設計參數(shù)來實現(xiàn)，只能通過調整結構平面布置，增強豎向構件剛度。

(2)結構調整：結構在水平作用下，不可避免會發(fā)生扭轉，而且最大層間位移往往出現(xiàn)在結構邊跨4個角部(如果是“品”字形結構則會發(fā)生在“品”字形下側幾個角部)，因此可以通過加強結構邊跨抗側力構件的剛度來減少結構的扭轉，進而控制層間位移角使其滿足限制要求。

3.1.2結構側向剛度

剪力墻結構應該具有適宜的側向剛度?？箓攘嫾矫娌贾靡撕唵?、規(guī)則，沿兩個主軸方向或其他方向雙向布置，2個方向的側向剛度不宜相差過大。剪力墻宜自上到下連續(xù)布置，避免剛度突變。

結構的規(guī)則性，可以通過《抗規(guī)》第3.4.3條判斷，該條明確提出了平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則的主要類型及其參考指標。

同時，為了限值結構的扭轉效應，《高規(guī)》第3.4.5條提出位移比和周期比的限值要求，即位移比不宜大于1.2，周期比不應大于0.9(B類高度建筑不應大于0.85)；為了避免結構出現(xiàn)軟弱層或薄弱層，《高規(guī)》第3.5.2條和第3.5.3條分別提出了樓層側向剛度比和樓層層間受剪承載力比值的要求。

位移比和周期比不滿足要求時的處理方法：

(1)軟件處理：同層間位移角不滿足要求時一樣，只能通過調整結構平面布置和增強豎向構件剛度來解決。

(2)結構調整：調整結構平面布置，加強外圈抗側力構件剛度，減少結構扭轉效應。同時，應該盡量使結構的前兩個振型為平動，第三振型為扭轉，且前2個周期相近。當結構前2個振型出現(xiàn)扭轉時，可以通過墻肢的布置來調整，也可以通過增大邊跨剛度(如加大山墻側梁高)或減少中心剛度來調整。

側向剛度比和層間受剪承載力比不滿足要求時的處理方法：

(1)軟件處理：當某樓層側向剛度比和層間受剪承載力不滿足要求時，SATWE和YJK軟件會自動將該樓層定義為薄弱層，并按《高規(guī)》第3.5.8條要求將該樓層地震作用標準值的剪力放大1.25倍。除了程序自動判定以外，對于SATWE可以在“參數(shù)定義”-“調整信息2”-“薄弱層調整”中的“指定的薄弱層個數(shù)”中填入薄弱層層數(shù)，并在“各薄弱層層號”中填入具體層號，則這些樓層將被強制定義為薄弱層；對于YJK可以在“計算參數(shù)”-“設計信息”-“薄弱層判斷與調整”中指定薄弱層層號。

(2)結構調整：理論上可以通過適當降低本層層高或適當提高上層樓層層高來調整側向剛度比和層間受剪承載力比，但是調整層高會影響建筑設計。所以，只能通過適當加強本層結構剛度或適當削弱上部結構剛度來調整。

3.1.3連梁剛度折減

在計算結構地震作用效應時，可對剪力墻連梁剛度予以折減。為了保證連梁承受豎向荷載的能力，《高規(guī)》第5.2.1條規(guī)定折減系數(shù)不宜小于0.5。同時，其條文說明指出“通常，設防烈度低時可少折減一些(6、7度時可取0.7)，設防烈度高時可多折減一些(8、9度時可取0.5)。”另外需要注意的是，當風荷載對結構起控制作用時，連梁剛度折減系數(shù)不應小于0.8；剪力墻結構或框剪結構跨高比大于5的梁，不應進行剛度折減。

軟件處理：

SATWE：在“參數(shù)定義”-“調整信息1”-“連梁剛度折減系數(shù)”中填入合適的折減系數(shù)，便可以指定地震作用下全樓統(tǒng)一的連梁剛度折減系數(shù)。當局部不同時，可以在前處理“特殊梁”-“剛度系數(shù)”或“特殊墻”-“墻梁剛度折減”里修改單構件的連梁折減系數(shù)。

YJK：在“計算參數(shù)”-“計算控制信息”-“連梁剛度折減系數(shù)(地震)”和“連梁剛度折減系數(shù)(風)” 中填入合適的折減系數(shù)。

3.1.4減少連梁剛度

(1)減少截面高度

當連梁名義剪應力超過限值時，如果加大截面高度，則會增加構件剛度，吸收更多剪力，對連梁更不利。此時，通過減少截面高度，減少連梁剛度，減少地震作用的影響，從而避免連梁承載力超限。

(2)加大洞口寬度

洞口寬度加大后，連梁跨度隨之增大，在連梁截面高度不變的情況下，同樣起到減少連梁剛度的作用。

軟件處理：

SATWE和YJK：在結構模型“構件布置”中定義或修改墻肢長度和寬度。

3.1.5考慮連梁不參與工作

《高規(guī)》第7.2.26-3條規(guī)定：“當連梁破壞對承受豎向荷載無明顯影響時，可按獨立墻肢的計算簡圖進行第二次多遇地震作用下的內力分析，墻肢截面應按兩次計算的較大值計算配筋。”同時，其條文說明指出：“假定連梁在大震下剪切破壞，不再能約束墻肢，因此可考慮連梁不參與工作，而按獨立墻肢進行第二次結構內力分析，它相當于剪力墻的第二道防線，這種情況往往使墻肢的內力及配筋加大，可保證墻肢的安全。第二道防線的計算沒有了連梁的約束，位移會加大，但是大震作用下就不必按小震作用要求限制其位移?！?/p>

在實際工程中，尤其是住宅項目，考慮結構經濟性，很少按此方法處理。

軟件處理：

SATWE和YJK： 目前軟件只能通過前處理“特殊梁”-“兩端鉸接”將全樓的連梁兩端定義成鉸接與未定義成鉸接的模型進行包絡設計。

3.2 結構構件設計

目前在進行小跨高比剪力墻連梁的抗震設計時，為防止連梁過早發(fā)生剪切破壞，通常在進行結構內力分析時，采用較大幅度地折減連梁的剛度以降低連梁的作用剪力。但是，較大幅度人為折減連梁剛度的做法，將導致地震作用下連梁過早屈服，延性需求增大，并且仍不能避免發(fā)生延性不足的剪切破壞。

《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010-2010)(以下簡稱《砼規(guī)》)第11.7.9條條文說明[9]指出“通過改變小跨高比連梁的配筋方式，可在不降低或有限降低連梁相對作用剪力(即不折減或有限折減連梁剛度)的條件下提高連梁的延性，使該類連梁發(fā)生剪切破壞時，其延性能力能夠達到地震作用時剪力墻對連梁的延性需求?！?/p>

3.2.1普通連梁

《砼規(guī)》第11.7.9條規(guī)定各抗震等級的剪力墻及筒體洞口連梁，當配置普通箍筋時，其截面限制條件應符合下列規(guī)定：

(1)跨高比大于2.5時，受剪截面應符合：

(2)跨高比不大于2.5時，受剪截面應符合：

軟件處理：

SATWE和YJK：不需要特殊定義。

3.2.2設置斜向交叉斜筋

《砼規(guī)》第11.7.10條規(guī)定對于一、二級抗震等級的連梁，當跨高比不大于2.5時，除普通箍筋外另配置斜向交叉鋼筋，其截面限制條件應符合下列規(guī)定：

當洞口連梁截面寬度不小于250 mm時，可采用交叉斜筋配筋；當連梁截面寬度不小于400 mm時，可采用集中對角斜筋配筋或對角暗撐配筋。

不論是采用交叉斜筋配筋，還是對角斜筋配筋或對角暗撐配筋，受剪截面均應符合：

軟件處理：

SATWE和YJK：前處理“特殊梁”-“交叉斜筋”“對角暗撐”或“對角斜筋”，或者“特殊墻”-“交叉斜筋”“對角暗撐”或“對角斜筋”進行定義。其中“對角斜筋”僅YJK有。

3.2.3設置鋼板

《高層建筑鋼-混凝土混合結構設計規(guī)程》(CECS 230:2008)第6.5.1條規(guī)定[10]高層建筑混合結構核心筒(剪力墻)的連梁可選用鋼筋混凝土連梁、鋼板混凝土連梁、鋼骨混凝土連梁、鋼連梁、鋼筋混凝土交叉暗撐連梁。當連梁截面厚度較大時，可采用鋼骨混凝土連梁；當連梁截面厚度較小時，可采用鋼板混凝土連梁。鋼板混凝土連梁的截面尺寸應符合：

(1)無地震作用時：

Vb≤0.30βcfcbhb0

(2)有地震作用時：

同時，鋼板厚度不應小于6 mm，高度不宜超過梁高的0.7倍，鋼板宜采用Q235B級鋼材。鋼板的表面應設置抗剪連接件，可采用焊接栓釘，也可在鋼板兩側分別焊接兩根直徑不小于12mm的通長鋼筋。鋼板在墻肢內應可靠錨固，連梁鋼板錨固做法如圖3所示。

圖3 連梁鋼板錨固示意圖

軟件處理：

SATWE： 無法實現(xiàn)。

YJK：前處理“特殊梁”-“連梁鋼板”，或“特殊墻”-“連梁鋼板”進行定義。

3.2.4型鋼混凝土梁

《組合結構設計規(guī)范》(JGJ 138-2016)第5.2.3條[11]，受剪截面限制條件：

型鋼混凝土框架梁和轉換梁最外層鋼筋的混凝土保護層最小厚度不宜小于100 mm，且梁內型鋼翼緣離兩側邊距離之和不宜小于截面寬度的1/3，如圖4所示。

圖4 型鋼混凝土梁保護層最小厚度

軟件處理：

SATWE： 在結構模型-“構件布置”-“主梁”定義中選擇“13 工形勁”或“15 十字勁”截面類型。

YJK：在結構模型-“構件布置”-“梁”定義中選擇“13 工形勁”或“15 十字勁”截面類型。

3.2.5設置水平縫

《抗規(guī)》第6.4.7條規(guī)定，“跨高比較小的高連梁，可設水平縫形成雙連梁、多連梁或采取其他加強受剪承載力的構造”，如圖5所示。分縫連梁抗彎剛度及受力大大減少，可有效避免連梁超筋或大大減少連梁配筋。

圖5 雙連梁構造示意

SATWE：前處理“特殊梁”-“單縫連梁”或“多縫連梁”，或者“特殊墻”-“設縫墻梁”進行定義。

YJK：前處理“特殊墻”-“連梁分縫”。

4 結語

根據規(guī)范要求，只有兩端與剪力墻平面內相連的梁才是連梁。一端在剪力墻平面內，另一端與剪力墻平面外相連或與框架柱相連，均不屬于連梁，而屬于框架梁，應按框架梁計算，但是梁構造可以參考連梁構造，以防止靠近墻側梁端發(fā)生剪切破壞。

為了避免剪力墻結構發(fā)生脆性破壞，剪力墻和連梁設計時，應分別遵循“強墻弱梁”和“強剪弱彎”的設計原則進行設計，而且要確保連梁屈服早于墻肢屈服，且連梁不會過早出現(xiàn)剪切破壞。

連梁超限問題的處理方法，可以從結構概念設計和結構構件設計兩大方面考慮，且優(yōu)先考慮結構概念設計。當連梁不可避免會發(fā)生超筋超限現(xiàn)象時，只能通過結構構件設計來解決，包括設置普通連梁箍筋、斜向交叉斜筋(交叉斜筋配筋、對角斜筋配筋、對角暗撐配筋)、鋼板、型鋼混凝土梁、水平縫等方法。

每種方法都有其適用條件，建議如下：

(1)當梁寬小于等于200 mm時，宜設置普通箍筋、鋼板或設置水平縫；

(2)當梁寬不小于250 mm時，除設置鋼板和水平縫以外，還可以設置交叉斜筋或型鋼混凝土梁；

(3)當梁寬不小于400 mm時，除以上各方法以外，還可以采用對角斜筋配筋或對角暗撐配筋。

應注意，不同建筑類型，應根據實際情況選擇合適的適用方法，保證連梁不超限。