高層剪力墻中連梁設(shè)計建議和配筋計算

鞠曉宏

(云南省設(shè)計院   云南昆明  650032)

1.連梁的工作和破壞機(jī)理

    在風(fēng)荷載和地震荷載作用下，墻肢產(chǎn)生彎曲變形，使連梁產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，從而使連梁產(chǎn)生內(nèi)力。同時連梁端部的彎矩、剪力和軸力又反過來減少了墻肢的內(nèi)力和變形，對墻肢起到了一定的約束作用，改善了墻肢的受力狀態(tài)。高層建筑剪力墻中的連梁在水平荷載作用下的破壞可分兩種，即脆性破壞(剪切破壞)和延性破壞(彎曲破壞)。連梁在發(fā)生脆性破壞時就喪失了承載力，在沿墻全高所有連梁均發(fā)生剪切破壞時，各墻肢喪失了連梁對它的約束作用，將成為單片的獨立梁。這會使結(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)(豎向荷載由于水平位移而產(chǎn)生的附加彎矩)，并最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌。連梁在發(fā)生延性破壞時，梁端會出現(xiàn)垂直裂縫．受拉區(qū)會出現(xiàn)微裂縫，在地震作用下會出現(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，同時通過塑性鉸仍能繼續(xù)傳遞彎矩和剪力，對墻肢起到一定的約束作用，使剪力墻保持足夠的剛度和強(qiáng)度。在這一過程中,連梁起到了一種耗能的作用，對減少墻肢內(nèi)力，延緩墻肢屈服有著重要的作用。但在地震反復(fù)作用下．連梁的裂縫會不斷發(fā)展、加寬，直到混凝土受壓破壞。

2.設(shè)計建議

    在墻肢和連梁的協(xié)同工作中，剪力墻應(yīng)該具有足夠的剛度和強(qiáng)度。在正常的使用荷載和風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)該處于彈性工作狀態(tài)，連梁不應(yīng)該產(chǎn)生塑性鉸。在地震作用下，結(jié)構(gòu)允許進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，連梁可以產(chǎn)生塑性鉸。根據(jù)抗震設(shè)計規(guī)范總則的要求，建筑物在遭受低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震影響時，一般不損壞或不需修復(fù)仍可使用，當(dāng)遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。因此，剪力墻的設(shè)計應(yīng)該保證不發(fā)生剪切破壞，也就是要求墻肢和連梁的設(shè)計符合強(qiáng)剪弱彎的原則，同時要求連梁的屈服要早于墻肢的屈服，而且要求墻肢和連梁具有良好的延性。

    剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁及框筒結(jié)構(gòu)中的裙梁一般較易出現(xiàn)超筋超限現(xiàn)象，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ā＜袅�墻連梁超筋、超限時，可根據(jù)“混凝土高規(guī)”第7.2.25條的相關(guān)規(guī)定，作如下處理：

    2.1對連梁的計算處理

    2.1.1減小連梁的計算截面

    改變連梁的截面后，連梁不再超筋時，無需進(jìn)行下階段處理。

    2.1.2對連梁進(jìn)行調(diào)幅處理

    抗震設(shè)計剪力墻中連梁的彎矩和剪力可進(jìn)行塑性調(diào)幅，以降低其剪力設(shè)計值。但在結(jié)構(gòu)計算中已對連梁進(jìn)行了剛度折減的連梁，其調(diào)幅范圍應(yīng)限制或不再調(diào)幅。當(dāng)部分連梁降低彎矩設(shè)計值后，其余部位的連梁和墻肢的彎矩應(yīng)相應(yīng)加大。一般情況下，經(jīng)全部調(diào)幅(包括計算中連梁剛度折減和對計算結(jié)果的后期調(diào)幅)后的彎矩設(shè)計值不小于調(diào)幅前(完全彈性)的0.8倍(6、7度)和0.5倍(8、9度)。對連梁進(jìn)行調(diào)幅處理后，連梁不再超筋時．無需進(jìn)行下階段處理。

    2.1.3連梁的鉸接處理

    當(dāng)連梁的破壞對承受豎向荷載無明顯影響(即連梁不作為次梁的支承粱)時．可假定該連梁在大震下的破壞，對剪力墻按獨立墻肢進(jìn)行第二次多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析(為減小結(jié)構(gòu)計算工作量可將連梁按兩端鉸接梁計算)，墻肢應(yīng)按兩次計算所得的較大內(nèi)力進(jìn)行配筋設(shè)計(一般情況下．連梁鉸接處理后，墻的計算結(jié)果較大)，以保證墻肢的安全。當(dāng)對連梁進(jìn)行的鉸接處理后，剪力墻配筋問題不突出時，也無需進(jìn)行下階段處理。

    2.1.4合理考慮連梁剛度的實用設(shè)計方法

    當(dāng)對連梁進(jìn)行鉸接處理后，剪力墻往往配筋很大，很不經(jīng)濟(jì)，合理利用連梁梁端塑性鉸的工程特性，適當(dāng)減小剪力墻配筋是合理考慮連梁剛度的實用設(shè)計方法的根本出發(fā)點。通過改變連梁計算截面高度(實際截面仍采用原來截面)尋求對應(yīng)于連梁實際截面的最大抗剪承載力時所對應(yīng)的截面彎矩設(shè)計值，及與之相應(yīng)的剪力墻內(nèi)力和配筋。減小剪力墻的連梁截面高度后，此時，連梁的計算結(jié)果可能仍然顯示超筋，但其計算剪力已不大于原有截面的最大受剪承載力，滿足混凝土高規(guī)規(guī)程第6.2.6條的要求，則計算結(jié)束。

    在工程實踐中，在經(jīng)過充分的調(diào)整試算，如改變洞口高度、改變連梁折減系數(shù)等，仍然無法滿足時，可采取以下經(jīng)驗的補(bǔ)償辦法進(jìn)行試算：

    1）增加剪力墻厚度。亦即增加連梁的截面寬度，其結(jié)果一方面由于結(jié)構(gòu)整體剛度加大，地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力增加，另一方面連梁的受剪承載力與寬度的增加成正比。由于該片墻厚增加以后，地震所產(chǎn)生的內(nèi)力并不按墻厚增加的比例分配給該片剪力墻，而是小于這個比例，因此有可能使連梁的受剪承載力不超限。

    2）提高混凝土等級。混凝土等級提高后，結(jié)構(gòu)的地震作用影響增加的比  例遠(yuǎn)小于混凝土受剪承載力提高的比例，有可能使連梁的受剪承載力不超限。

    3)把鋼筋配到規(guī)范允許的最大值，同時加強(qiáng)相鄰樓層對應(yīng)連梁的配筋，并在計算書中注明。

    4)在洞口兩邊設(shè)節(jié)點，把連梁由墻身一部分改按框架梁輸入，可以調(diào)整該梁的寬度，可以調(diào)到墻厚的兩倍。繪圖時把該梁畫成上下兩根連梁。

    在框剪結(jié)構(gòu)或剪力墻結(jié)構(gòu)中，要做到連梁一根也不超筋．這幾乎是件不可能完成的任務(wù)。連梁其跨度往往較小，因此受彎并不是其主要作用，而連梁要保證剪力的傳遞，這也是規(guī)范中對強(qiáng)剪弱彎的一個體現(xiàn)。連梁在開裂后，根部形成一個塑性鉸，能至部分彎矩，因此對連梁的受彎超筋，可不必過分在意。而連梁的抗剪能力是應(yīng)當(dāng)予以保證的，規(guī)范中給出了加交叉暗筋和交叉暗撐的做法

3.連梁的配筋計算

    根據(jù)《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工規(guī)程》，在連梁設(shè)計方面，對于連梁非抗震設(shè)計，抗震設(shè)計時跨高比大于2.5及小于2.5兩種情況，在截面受剪承載力及配筋方面均有不同規(guī)定。

    在結(jié)構(gòu)計算時這類連梁往往發(fā)生受剪承載力的超限，這時可以將受力筋均勻布置，同時考慮到連梁以承載水平荷載為主，支座彎矩主要由水平荷載引起，在反復(fù)的水平荷載作用下支座截面上、下受拉筋面積相近，可以采用截面對稱配筋。在連梁配筋中，配置平行筋往往導(dǎo)致斜向受拉破壞或由于箍筋過量而發(fā)生剪切滑移破壞．這些破壞將導(dǎo)致連梁的滯回曲線變壞．耗能能力下降。若采用菱形配筋方式．可以克服這些不足之處。

4.結(jié)語

    高層建筑剪力墻連梁的設(shè)計受很多因素的制約。連梁的內(nèi)力和剪力墻的多少、每片剪力墻的水平力大小、連梁的剛度、與之相連的墻肢剛度等都有關(guān)。因此在設(shè)計時，問題是比較復(fù)雜的，設(shè)計時要把互相制約的因素統(tǒng)一協(xié)調(diào)，以取得比較理想的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB5001 1-2001．建筑抗震設(shè)計規(guī)范．

[2]JGJ3—2002．高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程．

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)