關(guān)于高烈度地區(qū)連梁剪壓比超限的調(diào)整方法綜述

聶卉（山西二建集團(tuán)有限公司，山西太原030013）

在鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)(框架-核心筒結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)時(shí)常會(huì)遇到連梁剪壓比超限的問題，解決時(shí)非常考驗(yàn)專業(yè)人員的素養(yǎng)，較為棘手，特別是在高烈度地區(qū)。然而連梁作為剪力墻抗震的第一道防線，其良好的耗能能力對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)和安全是至關(guān)重要的。我國(guó)近年來地震頻發(fā)，人們維權(quán)意識(shí)也逐漸加強(qiáng)，亟待提高地震作用下結(jié)構(gòu)的安全，所以，研究高烈度區(qū)連梁的剪壓比超限問題是至關(guān)重要的。本文通過實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的總結(jié)和思考，詳細(xì)探討了連梁的超限原因、危害及對(duì)策，同時(shí)指出了按規(guī)程設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析調(diào)整時(shí)的注意事項(xiàng)。

1 超限原因分析

從整體受力來看，如圖1所示，假設(shè)連梁中部為連梁反彎點(diǎn)，從反彎點(diǎn)處切開，由受力平衡可以看出，由水平荷載導(dǎo)致的傾覆彎矩產(chǎn)生的軸力均由連梁內(nèi)部產(chǎn)生的剪力來承擔(dān)。烈度越高地震效應(yīng)越大，從而導(dǎo)致由傾覆彎矩產(chǎn)生的連梁內(nèi)部剪力增加，造成連梁內(nèi)部承受非常大的剪力。

圖1 剪力墻受力分析

由超靜定結(jié)構(gòu)的受力特性可知，在外荷載不變的情況下，構(gòu)件的內(nèi)力完全取決于構(gòu)件間的剛度大小和約束關(guān)系。在水平地震作用下，由于剪力墻和連梁是剛性連接的，會(huì)限制連梁端節(jié)點(diǎn)處的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，使得連梁承受較大的約束彎矩。連梁抗彎剛度越大，對(duì)墻肢造成的約束彎矩也越大。由下式(1)、(2)可知，連梁承受的剪力越大。

其次，從設(shè)計(jì)角度來看，進(jìn)行剪壓比計(jì)算時(shí)，連梁的剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)按下式(1)、(2)確定：

其中：ηv為連梁剪力增大系數(shù)，一級(jí)1.3，二級(jí)1.2，三級(jí)1.1。

從上式可以看出，由于強(qiáng)剪弱彎的概念設(shè)計(jì)，在計(jì)算連梁剪力時(shí)對(duì)剪力進(jìn)行了人為放大，抗震等級(jí)越高，增大系數(shù)越大，從而使得連梁剪壓比超限問題更為突出。

2 連梁減壓比超限的危害

基于建筑物功能方面的要求，需要在建筑物墻體上設(shè)置門窗洞口，即便沒有建筑功能方面的需求，為了預(yù)防剪力墻過長(zhǎng)導(dǎo)致墻體脆性剪切破壞，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)人為設(shè)置結(jié)構(gòu)洞口，使延性較差、以剪切變形為主的整體墻成為延性較好、由連梁和剪力墻組成的有多道抗震防線的聯(lián)肢墻。特別是在罕遇地震作用下，連梁作為剪力墻的第一道抗震防線，應(yīng)保證連梁具有良好的變形及耗能能力。連梁的破壞形態(tài)主要分為兩種：彎曲破壞和剪切破壞。當(dāng)連梁發(fā)生彎曲破壞時(shí)，梁端彎矩較大的部位首先會(huì)出現(xiàn)垂直裂縫，主應(yīng)力方位出現(xiàn)輕微的受拉裂縫，垂直裂縫在地震反復(fù)作用下逐漸開展形成塑性鉸，使得結(jié)構(gòu)剛度降低、變形加大，極大的吸收地震輸入的能量。同時(shí)塑性鉸仍然具有一定的傳遞彎矩和剪力的能力，使結(jié)構(gòu)保持一定得剛度[3]。當(dāng)連梁發(fā)證剪切破壞時(shí)，連梁主拉應(yīng)力方向混凝土迅速被拉壞，在反復(fù)荷載作用下出現(xiàn)斜向交叉裂縫，迅速喪失承載能力，形成脆性破壞。當(dāng)連梁破壞時(shí)，不能對(duì)墻肢形成有效的約束，聯(lián)肢墻變成單片獨(dú)立的墻肢，此時(shí)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度極大的降低，結(jié)構(gòu)變形持續(xù)增大，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)P-Δ效應(yīng)增大，最終倒塌[3]。而且由國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)研究表明，連梁的平均剪應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致其剪切破壞發(fā)生在箍筋充分發(fā)揮作用之前，使得設(shè)計(jì)按剪力設(shè)計(jì)值配置箍筋以防止剪切破壞的意圖不能得到充分的實(shí)現(xiàn)。因此，不論從防止連梁的脆性剪切破壞還是材料強(qiáng)度的利用方面，合理限制連梁剪壓比是完全必要的。

3 剪壓比超限調(diào)整方法

3.1 合理的結(jié)構(gòu)布置

無論做任何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理的結(jié)構(gòu)布置都是首要的考慮方面，結(jié)構(gòu)剛度越大，承受的內(nèi)力越大，通過專業(yè)的結(jié)構(gòu)布置，可使結(jié)構(gòu)獲得合理的剛度。根據(jù)地震影響系數(shù)曲線可知，結(jié)構(gòu)的周期極大地影響著結(jié)構(gòu)地震輸入響應(yīng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)固有周期超過場(chǎng)地特征周期時(shí)，結(jié)構(gòu)周期越大，輸入整體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)越小。所以設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足結(jié)構(gòu)整體位移和剪重比的前提下，盡量減小結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，增大結(jié)構(gòu)的自振周期，減小地震輸入，從根本上解決連梁剪壓比超限。

3.2 細(xì)化結(jié)構(gòu)荷載

根據(jù)地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式可知，地震作用和重力荷載代表值成正比例關(guān)系，重力荷載代表值越大，輸入結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也就越大[6]。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)建筑的具體做法確定結(jié)構(gòu)樓面荷載。同時(shí)在計(jì)算隔墻荷載時(shí)，應(yīng)考慮梁高和窗戶的影響，盡量減小結(jié)構(gòu)自重。建筑高度越高，荷載對(duì)地震作用的影響就越大，應(yīng)引起高度重視。

3.3 合理選取連梁剛度折減系數(shù)

連梁剛度折減系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)影響是非常大的，連梁剛度系數(shù)取值直接影響連梁的受力狀態(tài)，進(jìn)而影響連梁剪壓比是否會(huì)超限。對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)而言，此參數(shù)取值會(huì)直接影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度，同時(shí)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響也比較大。高規(guī)[6]建議在設(shè)計(jì)中，計(jì)算位移響應(yīng)時(shí)連梁可不考慮連梁剛度折減，計(jì)算地震作用下內(nèi)力時(shí)，對(duì)高烈度地區(qū)連梁剛度折減系數(shù)可取0.5，以允許其適當(dāng)開裂，從而將內(nèi)力轉(zhuǎn)移到墻體上。實(shí)際工程中，不論是高烈度區(qū)還是低烈度區(qū)，對(duì)大部分的連梁其剛度折減系數(shù)可取0.7~0.8，其余剪壓比超限的連梁可適當(dāng)減小。如果還沒有辦法解決時(shí)，對(duì)其中一些剪壓比不容易超限的連梁可以將折減系數(shù)取得更大一些(甚至可以不折減)來改變連梁所承受的地震剪力。通過連梁剛度折減系數(shù)將連梁進(jìn)行分類，充分發(fā)揮連梁的承載能力，通過對(duì)連梁的這種差異化設(shè)計(jì)，使連梁剪壓比超限得到滿足同時(shí)不太削弱整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度。

3.4 合理控制連梁高跨比

由《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》式7.2.22條可知，規(guī)范對(duì)于剪壓比不大于2.5的連梁，在地震設(shè)計(jì)狀況下剪壓比限制條件更為嚴(yán)格，因小跨高比時(shí)，平均剪應(yīng)力過大，連梁剪切破壞就會(huì)發(fā)生在箍筋充分發(fā)揮作用之前，偏離結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)意圖。所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量做跨高比大于2.5的連梁從而使得剪壓比驗(yàn)算更容易得到滿足。

3.5 改變梁高

連梁承受的剪力與梁高的關(guān)系為正相關(guān)，即連梁剪力隨著梁高的增大或減小而增大或減小。然而剪壓比則不然，剪壓比計(jì)算公式見式3。

從剪壓比計(jì)算公式(式(3))不難看出，隨著梁高的改變，分子與分母同時(shí)增大或減小，變化幅度不同，結(jié)果可能增大也可能減小。工程設(shè)計(jì)中也經(jīng)常會(huì)遇到如果個(gè)別連梁超限，按高規(guī)的建議減小梁高，剪壓比不減反增。因此為了研究梁高與剪壓比之間的變化規(guī)律，一些科研工作者及設(shè)計(jì)人員也做了相應(yīng)的研究。文[1]作者通過對(duì)一單層雙肢剪力墻的理論推導(dǎo)，得出了要通過改變梁高解決連梁超限問題，其主要影響因素是連梁與墻肢線剛度比K，當(dāng)連梁高度h較小(小到使K<1/3)，模型調(diào)整時(shí)應(yīng)該將梁的高度h再減小一些；反之，當(dāng)連梁高度h較大(大到使K>1/3)，模型調(diào)整時(shí)反之應(yīng)增加梁的高度h。同時(shí)文獻(xiàn)[1][2]經(jīng)過對(duì)Park的實(shí)例分析，證明了在單層雙肢剪力墻上得到的關(guān)于梁高度改變對(duì)剪壓比影響的規(guī)律同樣適用于多層剪力墻。連梁作為罕遇地震時(shí)剪力墻的第一道抗震防線、主要的耗能構(gòu)件，其良好的延性性能是設(shè)計(jì)時(shí)主要的考慮方面，因此高規(guī)推薦的減小梁高的建議是完全合理的，但是如果個(gè)別連梁本身高度已經(jīng)較大，若通過繼續(xù)增加高度能解決超限，同時(shí)不影響建筑使用功能的情況下，也不失為一個(gè)解決問題的思路。

3.6 連梁中間設(shè)縫，做成雙連梁或多連梁

連梁中間設(shè)置水平縫是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員為解決剪力墻連梁超限采取的重要方法，本質(zhì)上與減小連梁截面高度的方法相同。但是其應(yīng)用的前提條件也是連梁與墻肢的剛度比不是很大，效果才比較理想，否則可能導(dǎo)致剪力降低太少而不能解決連梁剪壓比超限問題。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以將分縫后承受豎向荷載的連梁做的大些，其余的連梁做的小些，縫中間增填聚苯板。

3.7 按連梁破壞后獨(dú)立墻肢計(jì)算

高規(guī)[6]指出當(dāng)連梁破壞對(duì)承受豎向荷載影響較小時(shí)，可按該連梁破壞后的獨(dú)立墻肢計(jì)算簡(jiǎn)圖進(jìn)行再一次的內(nèi)力分析，所有的墻肢截面及其余連梁的配筋取兩次計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值。采用此方法時(shí)，盡量不要有承重的樓面梁支撐在破壞的連梁上，以免引起結(jié)構(gòu)局部豎向承載能力不足。實(shí)際操作中可以將連梁兩端設(shè)為鉸接或取個(gè)較小的連梁剛度折減系數(shù)來模擬連梁破壞的情況。值得注意的是，如果較多的連梁按此辦法處理，整個(gè)結(jié)構(gòu)剛度損失會(huì)比較厲害，對(duì)高層和超高層結(jié)構(gòu)要慎用。

3.8 合理控制混凝土強(qiáng)度等級(jí)

從剪壓比計(jì)算公式式(3)可以看出，混凝土強(qiáng)度等級(jí)也是影響剪壓比的一個(gè)重要的因素。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C30調(diào)整為C40時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度提高1.083倍，但是其抗壓強(qiáng)度提高1.336倍，因此提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)有利于降低連梁剪壓比。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可適當(dāng)提高連梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)，但是也不能過高，以免高強(qiáng)度混凝土裂縫不好控制，同時(shí)造成施工麻煩。

3.9 在連梁內(nèi)增設(shè)對(duì)角斜筋或交叉暗撐

當(dāng)實(shí)際設(shè)計(jì)中為了控制位移或構(gòu)造要求不可避免設(shè)置跨高比小于等于2.5的強(qiáng)連梁時(shí)，也可以通過在連梁內(nèi)增設(shè)對(duì)角斜筋或交叉暗撐來解決剪壓比超限的問題。交叉配筋的原理是利用交叉鋼筋抵抗由主拉應(yīng)力引起的裂縫的開展，有效防止剪切滑移破壞。為了預(yù)防交叉斜筋在主應(yīng)力方向被壓屈服，也可在交叉斜筋周邊設(shè)置箍筋，形成交叉暗撐。由于配置對(duì)角斜筋或交叉暗撐后連梁延性得到較大的提升，規(guī)范也適當(dāng)提高了其剪壓比限值，由0.15γRE提升到0.25γRE，使剪壓比驗(yàn)算更容易通過。值得注意的是，配置交叉斜筋時(shí)，剪力墻厚度宜≥250mm，配置交叉暗撐時(shí)，剪力墻厚度宜≥400mm.

3.10 在連梁內(nèi)設(shè)置型鋼或鋼板

由于型鋼和鋼板良好的塑性性能，可以有效防止連梁發(fā)生脆性破壞，同時(shí)其較高的抗剪能力可延緩斜裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。通過調(diào)整型鋼和鋼板的厚度，可以使抗剪承載力得到大幅度的提升，但是施工麻煩，不提倡大面積使用。

3.11 合理采用塑性調(diào)幅

此處的塑性調(diào)幅和普通樓面梁的塑性調(diào)幅概念是有些區(qū)別的。高規(guī)對(duì)連梁采取塑性調(diào)幅的目的是減弱連梁在水平地震作用下的抗彎和抗剪能力，超限連梁調(diào)幅后，相鄰墻肢和連梁的內(nèi)力應(yīng)適當(dāng)增大。一些文獻(xiàn)[1][4][5]針對(duì)連梁超限問題提出了多種有效而實(shí)用的調(diào)幅方法，基本思路為：①按現(xiàn)有截面尺寸計(jì)算規(guī)范規(guī)定的允許最大剪力[V]作為調(diào)幅后的剪力設(shè)計(jì)值;②由連梁允許最大剪力[V]反算連梁的允許最大彎矩[M];③由第②步求得的最大彎矩[M]計(jì)算允許最大抗彎縱筋面積[As]；④根據(jù)第①步計(jì)算所得最大剪力[V]求得連梁需配箍筋最小值(Asv/s)min;⑤根據(jù)第②步求得的最大彎矩[M]虛擬超限連梁的截面高度，利用虛擬后的連梁截面高度進(jìn)行第二次結(jié)構(gòu)計(jì)算；⑥原超限連梁按原截面尺寸設(shè)計(jì)及第③④步的計(jì)算結(jié)果配筋，其余部位的連梁和墻肢按兩個(gè)模型的包絡(luò)結(jié)果進(jìn)行配筋。具體的公式推導(dǎo)及虛擬超限連梁的截面高度確定可參考文獻(xiàn)[1].

采用此方法需要注意：①若采取調(diào)幅設(shè)計(jì)，則連梁剛度不能折減；②調(diào)幅連梁根據(jù)計(jì)算得出的抗彎縱筋面積不能隨意增大(如果跨高比＜5，可不滿足框架梁最小配筋率的要求)；③調(diào)幅連梁計(jì)算所得的箍筋應(yīng)適當(dāng)增大，以適當(dāng)提高受剪承載力，避免連梁抗剪先于抗彎破壞；④兩次結(jié)構(gòu)計(jì)算中，剪力墻都不應(yīng)出現(xiàn)超筋的情況，同時(shí)第二次結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，其余連梁也不應(yīng)出現(xiàn)超筋的情況；⑤連梁減小截面后不能對(duì)豎向荷載有明顯的影響；⑥此方法對(duì)于主要由風(fēng)荷載控制的連梁應(yīng)慎重，以免發(fā)生較大的裂縫而影響結(jié)構(gòu)的正常使用；⑦采用此方法設(shè)計(jì)的連梁不宜太多，以免造成結(jié)構(gòu)剛度過于削弱。工程實(shí)踐表明，該辦法對(duì)跨高比大的連梁效果較好，對(duì)跨高比較小的，尤其是強(qiáng)連梁效果比較差。

4 結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身就是采用剛?cè)岵?jì)的手段，安全、經(jīng)濟(jì)、合理地解決工程中遇到的各類問題。以上總結(jié)了剪力墻連梁剪壓比超限調(diào)整的常用工程技術(shù)措施，可以解決工程中絕大部分連梁超限的問題。隨著我國(guó)地震越來越頻發(fā)，建筑高度越來越高，連梁作為剪力墻的第一道抗震防線，其合理的設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全尤為重要，需要在實(shí)踐工程中不斷總結(jié)、提升，爭(zhēng)取把一些意向性的規(guī)律上升到理論的、可以更加量化的高度，需要同行的進(jìn)一步探討。