高烈度區(qū)剪力墻連梁超限處理方法

韓劍飛

【摘要】本文通過對(duì)高層剪力墻結(jié)構(gòu)連梁的工作原理和破壞形式進(jìn)行分析，針對(duì)高烈度地區(qū)剪力墻連梁的超限問題，從結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施三大方面提出了處理方法，以供參考。

【關(guān)鍵詞】剪力墻結(jié)構(gòu);連梁受力機(jī)理;超筋超限;連梁設(shè)計(jì)

1、連梁的受力機(jī)理

在風(fēng)荷載和地震力作用下，墻肢產(chǎn)生彎曲變形，連梁端部發(fā)生轉(zhuǎn)角并產(chǎn)生彎矩、剪力和軸力，同時(shí)，連梁端部的內(nèi)力作用減弱了相連墻肢的內(nèi)力，并約束墻肢的變形，提高整體結(jié)構(gòu)的延性和抗震性能。連梁的破壞形式有脆性的剪切破壞和延性的彎曲破壞。當(dāng)連梁發(fā)生脆性破壞時(shí)，連梁承載能力喪失，對(duì)墻肢約束作用也隨之喪失，如果沿墻全高所有連梁均發(fā)生剪切破壞，墻肢將變成單片懸臂墻，這將大量降低結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，導(dǎo)致墻肢位移和變形加大，彎矩加大，進(jìn)一步加大P-△效應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次破壞甚至倒塌。當(dāng)連梁發(fā)生延性破壞時(shí)，連梁端部在形成塑性鉸的過程中吸收大量的地震能量，降低結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)。同時(shí)，連梁在塑性鉸形成后能繼續(xù)傳遞剪力和彎矩，使剪力墻保持充足的承載力與剛度，對(duì)延緩墻肢屈服發(fā)揮重要作用。因此，在高烈度地區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，連梁是結(jié)構(gòu)的主要地震耗能構(gòu)件，是抗震設(shè)防的第一道防線，其設(shè)計(jì)的合理與否直接決定著結(jié)構(gòu)抗震性能的好壞。

2、連梁超限處理方法

根據(jù)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，高烈度區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)連梁很少有不超限的情況，連梁超限原因主要是連梁的剪壓比不足。為防止連梁過早發(fā)生剪切破壞，提高連梁延性，建議主要從結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施三大方面對(duì)連梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

2.1.1 結(jié)構(gòu)整體剛度

結(jié)構(gòu)整體應(yīng)具有足夠的剛度?？拐痱?yàn)算時(shí)，結(jié)構(gòu)每一層的水平地震剪力應(yīng)符合《抗規(guī)》[1]第 5.2.5 條Veki >λ∑Gj規(guī)定。當(dāng)?shù)撞靠偧袅ο嗖钶^大時(shí)，需要重新調(diào)整結(jié)構(gòu)的選型和總體布置，不能只乘以增大系數(shù)來處理。滿足最小地震剪力是后續(xù)結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的前提，只有調(diào)整到符合最小剪力要求，才能進(jìn)行相應(yīng)的地震傾覆力矩、構(gòu)件內(nèi)力、位移等的計(jì)算分析。

2.1.2 結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度

剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有適宜的側(cè)向剛度?？箓?cè)力構(gòu)件平面布置宜簡(jiǎn)單、規(guī)則，沿兩個(gè)主軸方向均勻布置，兩個(gè)方向的側(cè)向剛度宜接近，限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，位移比不宜大于1.2，周期比不應(yīng)大于0.9。結(jié)構(gòu)平面規(guī)則、簡(jiǎn)單、對(duì)稱，則結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)清晰，抗震性能良好。剪力墻豎向布置宜連續(xù)，避免上下層剛度突變。若不滿足上述要求，應(yīng)調(diào)整抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置、數(shù)量和截面尺寸。結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度并不是越大越好，剛度越大，地震效應(yīng)越大，連梁容易發(fā)生脆性破壞。

2.1.3 結(jié)構(gòu)布置合理性

結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)，單片剪力墻長度不宜大于 8m，超過8m時(shí)，應(yīng)在剪力墻中間開洞。洞口盡量不要布置在墻肢的端部，因?yàn)槎纯趦蓚?cè)的墻肢剛度相差較大時(shí)，墻肢的內(nèi)力差異也較大，相連墻肢的內(nèi)力差會(huì)使連梁產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，容易導(dǎo)致連梁截面超限。盡量避免樓面梁尤其是框架主梁支撐在連梁上，樓面梁支承在連梁上時(shí)，附加彎矩和剪力造成連梁扭轉(zhuǎn)，不但不能有效約束樓面梁，反而不利于連梁受力。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.2.1 連梁合理建模

結(jié)構(gòu)建模時(shí)，當(dāng)連梁跨高比≤2時(shí)，宜按洞口輸入，采用殼元模型，剛度折減時(shí)考慮樓板作為連梁翼緣剛度，按主梁輸入時(shí)，程序把連梁當(dāng)作桿元構(gòu)件計(jì)算，不考慮樓板翼緣剛度。當(dāng)2<跨高比<5時(shí)，建議按洞口建模。當(dāng)跨高比≥5 時(shí)，可按主梁建模。

2.2.2 連梁剛度折減

在水平風(fēng)荷載作用下，折減系數(shù)不宜小于0.8，在6度、7度地震荷載作用下，折減系數(shù)取0.7，在8度、9度地震荷載作用下，折減系數(shù)最低可取0.5?？绺弑却笥?5 的梁，不應(yīng)進(jìn)行剛度折減。

2.2.3 削弱連梁與剪力墻的相對(duì)剛度

如果結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度不足，位移比規(guī)范限制大，需增加剪力墻數(shù)量，以減少每片墻肢承擔(dān)的水平力，增加剪力墻的厚度，也增加連梁截面的寬度，以提高連梁的截面承載力，同時(shí)可以增加連梁的跨高比。

如果結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較大，位移比規(guī)范限制小，超筋或超限數(shù)量又較多時(shí)，則可以采取加大連梁洞口，減小連梁截面高度，使連梁的剛度減小。如果只是部分連梁超筋或超限，則可采取調(diào)整連梁內(nèi)力的方法來解決，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。

2.2.4 設(shè)置雙連梁

通過在連梁中部設(shè)水平縫使跨高比變大，增大剪跨比，提高延性，連梁的承載力不但沒有降低，其變形能力和耗能能力反而大幅的提高，能很好解決連梁超筋超限問題。設(shè)置水平縫降低了連梁的剛度，同時(shí)降低了結(jié)構(gòu)的整體剛度，也減小了地震作用的影響。

2.2.5 合理控制連梁配筋

連梁配筋時(shí)需考慮翼緣板內(nèi)鋼筋對(duì)連梁彎曲承載力的增大作用。這是問題容易被忽視，翼緣板剛度和配筋會(huì)使連梁由“強(qiáng)剪弱彎”構(gòu)件變?yōu)椤皬?qiáng)彎弱剪”構(gòu)件，導(dǎo)致使連梁由延性的彎曲破壞變成脆性的剪切破壞。連梁配筋時(shí)應(yīng)根據(jù)翼緣板內(nèi)的配筋情況，適當(dāng)減小連梁上部的縱筋數(shù)量，使連梁兩向抗彎承載力接近或相等，而不是簡(jiǎn)單的上下對(duì)稱配筋。

2.2.6 設(shè)置型鋼混凝土連梁

采用型鋼混凝土連梁是解決連梁超筋超限的有效方法。在鋼筋梁內(nèi)設(shè)置型鋼可以增強(qiáng)連梁的延性，提高連梁的抗剪、抗彎能力。當(dāng)梁寬較大時(shí)，可采用鋼骨混凝土連梁;當(dāng)梁寬較小時(shí)，可采用鋼板混凝土連梁，鋼板混凝土連梁施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，適用性較強(qiáng)。但型鋼混凝土連梁造價(jià)比較高，建議部分嚴(yán)重超限的連梁采用型鋼混凝土連梁替代。

2.2.7 鉸接處理

高烈度區(qū)的連梁在上述調(diào)整后仍有部分超筋情況，將部分連梁兩端按鉸接處理，考慮連梁在大震作用下不參與工作，采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施確保連梁對(duì)剪力墻的約束不能完全喪失，避免出現(xiàn)“獨(dú)立墻肢”。

2.2.8 提高混凝土等級(jí)

提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)可以調(diào)高連梁的抗剪承載力。

2.3 構(gòu)造措施

連梁設(shè)置交叉斜筋或?qū)前祿蝃2]。通過改變小跨高比連梁的配筋方式，提高連梁的延性，使連梁發(fā)生剪切破壞時(shí)，其延性能力能夠達(dá)到地震作用時(shí)剪力墻對(duì)連梁的延性需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010 .

[2]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.