高層剪力墻中連梁設計建議和配筋計算

鞠曉宏

(云南省設計院   云南昆明  650032)

1.連梁的工作和破壞機理

    在風荷載和地震荷載作用下，墻肢產(chǎn)生彎曲變形，使連梁產(chǎn)生轉角，從而使連梁產(chǎn)生內力。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。這會使結構的側向剛度大大降低，變形加大，墻肢彎矩加大，并且進一步增加P△效應(豎向荷載由于水平位移而產(chǎn)生的附加彎矩)，并最終可能導致結構的倒塌。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，結構剛度降低，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，對減少墻肢內力，延緩墻肢屈服有著重要的作用。但在地震反復作用下．連梁的裂縫會不斷發(fā)展、加寬，直到混凝土受壓破壞。

2.設計建議

    在墻肢和連梁的協(xié)同工作中，剪力墻應該具有足夠的剛度和強度。在正常的使用荷載和風荷載作用下，結構應該處于彈性工作狀態(tài)，連梁不應該產(chǎn)生塑性鉸。在地震作用下，結構允許進入彈塑性狀態(tài)，連梁可以產(chǎn)生塑性鉸。根據(jù)抗震設計規(guī)范總則的要求，建筑物在遭受低于本地區(qū)設防烈度的多遇地震影響時，一般不損壞或不需修復仍可使用，當遭受高于本地區(qū)設防烈度的罕遇地震時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞。因此，剪力墻的設計應該保證不發(fā)生剪切破壞，也就是要求墻肢和連梁的設計符合強剪弱彎的原則，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。

    剪力墻結構、框架剪力墻結構中連梁及框筒結構中的裙梁一般較易出現(xiàn)超筋超限現(xiàn)象，應采取適當?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，無需進行下階段處理。

    2.1.2對連梁進行調幅處理

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

    2.1.3連梁的鉸接處理

    當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行第二次多遇地震作用下的結構內力分析(為減小結構計算工作量可將連梁按兩端鉸接梁計算)，墻肢應按兩次計算所得的較大內力進行配筋設計(一般情況下．連梁鉸接處理后，墻的計算結果較大)，以保證墻肢的安全。當對連梁進行的鉸接處理后，剪力墻配筋問題不突出時，也無需進行下階段處理。

    2.1.4合理考慮連梁剛度的實用設計方法

    當對連梁進行鉸接處理后，剪力墻往往配筋很大，很不經(jīng)濟，合理利用連梁梁端塑性鉸的工程特性，適當減小剪力墻配筋是合理考慮連梁剛度的實用設計方法的根本出發(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)尋求對應于連梁實際截面的最大抗剪承載力時所對應的截面彎矩設計值，及與之相應的剪力墻內力和配筋。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，則計算結束。

    在工程實踐中，在經(jīng)過充分的調整試算，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)驗的補償辦法進行試算：

    1）增加剪力墻厚度。亦即增加連梁的截面寬度，其結果一方面由于結構整體剛度加大，地震作用產(chǎn)生的內力增加，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，結構的地震作用影響增加的比  例遠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，同時加強相鄰樓層對應連梁的配筋，并在計算書中注明。

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

    在框剪結構或剪力墻結構中，要做到連梁一根也不超筋．這幾乎是件不可能完成的任務。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當予以保證的，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構設計和施工規(guī)程》，在連梁設計方面，對于連梁非抗震設計，抗震設計時跨高比大于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。

    在結構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.結語

    高層建筑剪力墻連梁的設計受很多因素的制約。連梁的內力和剪力墻的多少、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。因此在設計時，問題是比較復雜的，設計時要把互相制約的因素統(tǒng)一協(xié)調，以取得比較理想的結果。

參考文獻：

[1]GB5001 1-2001．建筑抗震設計規(guī)范．

[2]JGJ3—2002．高層建筑混凝土結構技術規(guī)程．

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