淺析高層建筑結構中的連梁設計

張曉剛，路 福

（中城建北方建筑設計研究院，內蒙古 赤峰 024000）

淺析高層建筑結構中的連梁設計

張曉剛，路 福

（中城建北方建筑設計研究院，內蒙古 赤峰 024000）

本文探討了連梁對高層建筑結構整體性能的影響及其受力原理和破壞形式,討論了連梁的概念設計方法.對高烈度區結構設計時連梁出現承載力不足現象進行了適用性分析，討論了常用的設計措施.

高層建筑；連梁；設計措施

1 引言

在剪力墻、框架—剪力墻和框架筒體結構體系中,連接墻肢與墻肢、墻肢與框架柱的梁稱為連梁.連梁一般具有跨度小，截面高，與連梁相連的墻體剛度大等特點.因此，高層建筑在水平力作用下，連梁的內力往往很大.設計時，即使采取了降低連梁內力的各種措施，如：加大剪力墻的洞口寬度；在連梁中部開水平縫，在計算內力和位移時對連梁剛度進行折減，對局部內力過大層的連梁內力進行調整等，仍無法使連梁的截面設計符合要求.由于設計規范對此沒有明確規定，因此，設計時感到無所適叢.而設計、構造不當將會造成結構在抵抗水平力時的強度、剛度不符合要求，進而影響承受豎向荷載的能力.本文將討論高層建筑剪力墻中連梁設計的幾個問題，并提出相應的建議.

2 連梁的受力機理與破壞形式

在水平荷載的作用下,墻肢產生彎曲變形,使連梁端產生轉角,從而使連梁產生內力,同時連梁作用在墻肢上的約束力又限制了墻肢的進一步變形，改善了墻肢的受力性能并與墻肢共同承擔水平荷載.連梁的跨度一般不大，豎向荷載也較小，相對于墻肢變形產生的內力，豎向荷載產生的內力所占比例.連梁受力如圖1所示.

圖1 連梁的受力機理

在地震作用下,連梁可能因承載力超限而破壞連梁破壞有兩種情況:一種是脆性破壞即剪切破壞，如圖2所示；另一種是延性破壞,即彎曲破壞，如圖3所示.

圖2 連梁的剪切破壞

圖3 連梁的彎曲破壞

在地震作用下，如果連梁產生剪切破壞，連梁對墻肢的約束作用將很快地喪失.聯肢墻或筒體將很快的劈成若干個單片的獨立墻肢，結構的抗側剛度迅速下降，結構變形顯著提高，造成結構整體抗震性能下降.

連梁發生彎曲破壞時,梁端出現垂直裂縫,受拉區出現細微裂縫,在水平地震作用下出現交叉裂縫形成塑性鉸,結構剛度降低,變形加大,從而吸收大量地震能量,同時結構的地震效應減小.在地震的反復作用下,連梁裂縫不斷加長、加寬,直至混凝土受壓破壞,在這一過程中連梁起到一種耗能作用.另一方面,連梁出現塑性鉸后并未完全喪失承載力,它仍能通過塑性鉸傳遞一定的彎矩和剪力,對墻肢起到一定的約束作用,這對于減少墻肢力、延緩墻肢屈服有著重要作用.

已有研究表明，剪跨比對混凝土梁的破壞形式有較大影響：剪跨比越小，剪切變形占全部變形的比例就越大，剪切破壞的特征就愈加明顯，脆性就越大.反之，剪跨比越大，彎曲破壞的特征就愈加明顯，延性就越好.

綜上可見，墻肢和連梁的設計必須符合強剪弱彎的原則,要求連梁的屈服早于墻肢的屈服,并要求墻肢和連梁具有良好的延性.

3 連梁的概念設計

《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002) (以下簡稱《高規》)第5.2.1條規定:“在內力與位移計算中，抗震設計的框架-剪力墻或剪力墻結構中的連梁剛度可予以折減，折減系數不宜小于0.5”.之所以考慮對連梁的剛度進行折減，是由于在側向荷載作用下，混凝土的開裂引起了剛度降低.在地震作用下，連梁的裂縫開展和塑性變形比在風荷載作用下的更大，因此，剛度降低的更多.但是，剛度折減得越多，意味著設計荷載作用下裂縫開展得越大.在超載時，如發生強大的陣風或地震烈度超過多遇地震烈度時，塑性鉸也會出現得更早，這就要求更加注意加強連梁的延性和使連梁符合“強剪弱彎”的要求.

連梁剛度折減后承載力仍不滿足時，《高規》第7.2.25條第二款規定:“抗震設計的剪力墻中連梁彎矩及剪力可進行塑性的調幅,以降低其剪力設計值.但在內力計算時已經按本規程第5.2.1條的規定降低了剛度的連梁,其調幅范圍應當限制或不再繼續調幅.當部分連梁降低彎矩設計值后,其余部位連梁和墻肢的彎矩設計值應相應提高”.連梁的彎矩設計值包括豎向荷載和水平荷載兩部分所產生的內力.豎向荷載產生的彎矩已通過彎矩調幅進行調整,而且豎向荷載的彎矩不能通過其他構件的彎矩來進行調整.因此,這里所說的彎矩調整是指水平荷載產生的彎矩.

個別連梁仍有超筋情況時,《高規》第7.2.25條第3款規定：“當連梁破壞對承受豎向荷載無明顯影響時，可考慮在大震作用下該連梁不參與工作，按獨立墻肢進行第二次多遇地震作用下結構內力分析，墻肢應按兩次計算所得的較大內力進行配筋設計”.即假定連梁大震下破壞，不能約束墻肢.因此可考慮連梁不參與工作，而按獨立墻肢進行二次結構內力分析，這時就是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，以保證墻肢的安全.

4 設計措施

在內力和位移計算時，要區別豎向荷載作用下和水平荷載作用下兩種不同情況的連梁剛度折減系數.在豎向荷載作用下，連梁剛度不宜折減，連梁支座彎矩的降低可通過支座彎矩調幅來解決.在水平荷載作用下，連梁剛度可以折減，當風荷載作用時，折減系數不宜小于0.8.當地震力為控制性水平荷載時不應小于0.5.

連梁剛度折減后承載力仍不滿足時,對風荷載起控制作用的高層建筑中應采取下列幾點措施:

（1）增加剪力墻的厚度即增加連梁截面寬度,提高剪力墻剛度的同時亦提高連梁的抗剪能力；

（2）增加剪力墻數,以減少每片剪力墻的水平力；

（3）加大洞口寬度以加大連梁跨度，如圖4所示；

圖4

圖5

（4）減少連梁截面高度或在連梁中部開水平縫等,以降低連梁剛度，如圖5所示.

對于地震作用控制的連梁，如果結構的剛度較大，位移比規定的限值小得較多，而超筋或超限的連梁數量又較多時，則可采取加大連梁洞口，減小連梁截面高度等方法，使連梁的內力減小.如果結構的剛度較小，則不應再對連梁的內力進行調整，而應采取增加剪力墻的厚度或數量的方法，以減小連梁的內力，使之符合要求.

經上述調整后,仍不符合承載力要求時,可取連梁截面的最大剪壓比限值確定剪力,然后按“強剪弱彎”的要求,配置相應的縱向鋼筋.此時,如果不能保證連梁在大震時的延性要求,應將這些連梁按鉸接于剪力墻上考慮,重新計算整個結構,必要時應做彈塑性的時程分析.在實際設計中,可在超筋部位的連梁按鉸接處理進行整體分析計算,若采用中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部開發研制的結構計算系列軟件計算時,可按下述方法處理:在用PM建模時應在洞口兩側各增設一個節點,然后在兩節點間按普通梁布置,而后用SATWE“特殊構件定義”中將此梁設為兩端鉸接.但此時應注意按此法處理后結構層間位移比尚需滿足規范的要求,配筋按兩次計算所得的較大內力配筋.連梁鉸接處理后,主要承受豎向荷載,施工時仍為整澆,連梁上筋按構造設置處理.

5 結論

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一協調,以取得比較理想的結果.連梁作為框剪、框筒或剪力墻結構體系中主要的抗震構件,其合理的剛度對結構的安全、經濟性影響重大,通過結構分析比較,在保證連梁延性的要求下,連梁剛度不宜過弱.在結構分析中當連梁出現承載力不足時可根據具體情況采取以上適當的方法,加以調整.

〔1〕建筑抗震設計規范(GB50011—2001).北京：中國建筑工業出版社，2008.

〔2〕高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ3—2002).北京：中國建筑工業出版社，2002.

〔3〕李國勝.多高層鋼筋混凝土結構設計中疑難問題的處理及計算.北京：中國建筑工業出版社，2004.

〔4〕徐建.建筑結構設計常見及疑難問題解析.北京：中國建筑工業出版社，2007.

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1673-260X（2010）02-0178-02