連梁在抗震設(shè)計(jì)中剪壓比超限問(wèn)題的探討

摘 要：文章分析了剪力墻中因連梁變化而帶來(lái)的連梁和墻肢的相互影響，并針對(duì)抗震設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的連梁剪壓比超限原因進(jìn)行分析，提出處理方案，以供類似工程參考。

關(guān)鍵詞：剪力墻連梁；剪壓比超限

中圖分類號(hào)：TU398.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2012）29-0140-02

鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，框剪結(jié)構(gòu)以及筒體結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻是普遍存在的構(gòu)件。結(jié)構(gòu)布置中，常采用剪力墻開(kāi)洞（設(shè)置連梁）的方式使剪力墻具有延性以滿足建筑專業(yè)要求。連梁的布置會(huì)明顯影響剪力墻以及整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。在地震作用下，連梁的存在將分擔(dān)一部分水平力在剪力墻中的彎矩，而分擔(dān)的此部分彎矩又在連梁上產(chǎn)生剪力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常遇到連梁超筋超限的問(wèn)題，特別是連梁剪壓比超限的問(wèn)題。本文將通過(guò)理論分析并結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)連梁和墻肢的相互影響以及自身超限的原因和對(duì)策進(jìn)行探討。

1 水平地震作用下連梁和墻肢的相互影響

圖1a所示為一長(zhǎng)矩形截面的不開(kāi)洞整體剪力墻，分析表明：水平荷載作用下墻肢的受力如同懸臂構(gòu)件，沿墻肢的高度方向上彎矩圖形下大上小，為一拋物線且不出現(xiàn)反彎點(diǎn)。截面上的壓力一端受拉，一端受壓，呈線性發(fā)布。

圖1b將上面的剪力墻沿中間位置上下對(duì)齊，洞口較大，且連梁高度不大。顯然墻肢的剛度相比于連梁大很多，由于連梁的約束剛度很弱，把它想象成鉸接于墻肢上的連桿，連桿的軸壓力為一半的樓層水平力。每個(gè)墻肢相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立懸臂構(gòu)件（彎矩圖形狀同圖a）。這種情況，可以認(rèn)為開(kāi)洞后的墻肢為獨(dú)立的剪力墻墻肢，連梁為弱連梁。

圖1c將圖1a所示的剪力墻仍沿中間位置上下對(duì)齊，規(guī)則開(kāi)洞，但洞口開(kāi)的較小，連梁剛度相對(duì)于墻肢較大，此時(shí)，剪力墻沿豎向彎矩線發(fā)生較大地變化，變?yōu)殇忼X狀，明顯看出，在樓層處由于連梁的作用，墻肢彎矩發(fā)生突變，此部分彎矩將由連梁承擔(dān)。連梁對(duì)墻肢的約束很強(qiáng)。

圖1d在圖1c的基礎(chǔ)上把洞口開(kāi)大開(kāi)高，開(kāi)洞大小介于圖1b和圖1c之間，連梁剛度和墻肢剛度的比值介于圖1b和圖1c之間，可以看出剪力墻沿豎向彎矩線仍然發(fā)生變化，但在某些高樓層會(huì)出現(xiàn)反彎點(diǎn)。連梁對(duì)墻肢的有一定的約束。

圖1e將剪力墻洞口開(kāi)的很大，使連梁與墻肢剛度接近。（按一榀框架理解），則兩個(gè)墻肢不僅在樓層處有突變，而且在大多數(shù)樓層出現(xiàn)反彎點(diǎn)，整個(gè)開(kāi)洞剪力墻的受力性質(zhì)和框架相似。

通過(guò)以上圖例分析可以看出，連梁的改變對(duì)墻肢剛度和力學(xué)性能起很大的影響。作為概念設(shè)計(jì)的第一道防線，連梁的存在將分擔(dān)一部分水平力在剪力墻中的彎矩，此部分彎矩又在剪力墻上產(chǎn)生剪力。內(nèi)力的存在必將帶來(lái)在連梁設(shè)計(jì)中出現(xiàn)受彎超限和受剪超限的問(wèn)題。總體上講，受彎超限的調(diào)整不會(huì)有太大的問(wèn)題，這里不做重點(diǎn)討論。下面將結(jié)合以上圖例的分析，重點(diǎn)對(duì)剪力墻中連梁的受剪超限做進(jìn)一步探究。

2 連梁抗剪截面超限的處理

抗震設(shè)計(jì)中，連梁抗剪截面超限主要表現(xiàn)為平均剪應(yīng)力不能滿足規(guī)范要求。連梁截面的平均剪應(yīng)力大小對(duì)連梁的破壞性能影響較大，尤其在小跨高比（圖1c情況）的條件下，如果平均剪應(yīng)力過(guò)大，在箍筋充分發(fā)揮作用之前，連梁就會(huì)發(fā)生剪切破壞（斜壓破壞），脆性破壞特征明顯。根據(jù)大量工程的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合規(guī)范的建議，下面討論設(shè)計(jì)中遇到連梁抗剪截面超限問(wèn)題時(shí)常采用的幾種處理方法。

2.1 連梁剛度的折減

這是規(guī)范推薦和設(shè)計(jì)中最常用的方法，目的是為了降低梁端彎矩設(shè)計(jì)值，形成塑性鉸，從而控制其實(shí)際的彎矩和剪力值。在平均剪應(yīng)力超限不多的情況下，通過(guò)連梁折減可取的較好的效果。當(dāng)連梁跨高比較大時(shí)，或重力荷載和風(fēng)荷載產(chǎn)生的效應(yīng)比地震效應(yīng)明顯時(shí)，剛度不應(yīng)折減，以防止塑性鉸和裂縫的過(guò)早開(kāi)展對(duì)豎向承載力產(chǎn)生影響，甚至在風(fēng)荷載作用下出現(xiàn)較大的裂縫。

由于連梁剛度的折減對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度有較大的影響，且是以裂縫的提前開(kāi)展為代價(jià)，所以結(jié)構(gòu)中不同部位的連梁宜根據(jù)不同的情況取不同的折減系數(shù)使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，但目前的計(jì)算程序尚無(wú)連梁剛度分別取值的功能，有待改進(jìn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有些工程師為了利用連梁剛度來(lái)滿足位移角要求，在連梁滿足計(jì)算要求前提下，人為的增大剛度折減系數(shù)或者干脆不折減。從抗震概念設(shè)計(jì)的角度分析，這是不可取的，在地震作用下，連梁作為第一道防線的耗能構(gòu)件，是要先于其他構(gòu)件屈服的，這樣才有利于耗散地震能量。

2.2 增加連梁的寬度

連梁加寬后，連梁的剛度和截面抗剪承載力成線性增加，連梁的內(nèi)力雖有增長(zhǎng)，但內(nèi)力增長(zhǎng)的比例遠(yuǎn)小于抗力的增長(zhǎng)，也就是說(shuō)寬度的增加，截面的平均剪應(yīng)力迅速降低。這種方法的另一優(yōu)勢(shì)是，相比于增加梁高，增加梁寬所帶來(lái)的剛度影響較小，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，設(shè)計(jì)者容易控制因連梁的改變而帶來(lái)的其他構(gòu)件和總體信息的影響。這種做法無(wú)疑受到設(shè)計(jì)人員的歡迎。

但是這種做法也帶來(lái)一些使用上和構(gòu)造上的問(wèn)題。首先，從使用角度上考慮，連梁寬度方向的突出必然會(huì)造成使用上和感官上的缺陷，特別是電梯井處的剪力墻，采用增加梁寬的方法時(shí)，一定要慎之又慎。其次，連梁和剪力墻的連接問(wèn)題：這種情況，設(shè)計(jì)人員一般要求連梁的鋼筋應(yīng)伸至遠(yuǎn)端錨固，會(huì)造成在遠(yuǎn)端設(shè)置厚度同梁寬的端柱以保證連梁和墻體間的內(nèi)力傳遞。端柱的存在勢(shì)必又影響了建筑的使用功能。

2.3 改變連梁的高度

高規(guī)推薦的方法是減小連梁的高度，目的是為了減小連梁的剛度和內(nèi)力。但是不是減小了梁高，剪壓比超限的問(wèn)題就能迎刃而解呢？在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，這一點(diǎn)往往做不到。通過(guò)大量的工程設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，一味地減小梁高并不能達(dá)到預(yù)期的目的。隨著梁高的減小，截面的抗剪承載力也相應(yīng)地降低。通過(guò)一些工程的比較可以看出，截面抗剪承載力降低的比例甚至要大于剪力減小的比例。另外，連梁的高度過(guò)小，墻體的整體剛度和耗能性能必然受到影響，所以并不是十分妥善的方案。

那如果在減小連梁高度的方法行不通的情況下，能否通過(guò)增加連梁的高度來(lái)解決連梁剪壓比超限的問(wèn)題呢？通過(guò)幾個(gè)工程實(shí)例的分析，增加連梁的高度后剛度迅速提高，對(duì)墻肢的約束增加，雖然連梁的抗剪承載力有所提高，但剛度的增加也導(dǎo)致連梁的剪力迅速增大。造成連梁剪壓比超限的問(wèn)題亦無(wú)法解決。v和h的同時(shí)增大或減小，其剪壓比如何變化？減小還是增大？其結(jié)論并不是簡(jiǎn)單直觀就可以得到的。實(shí)際上，連梁高度的改變?cè)斐蓪?duì)其剪壓比的走勢(shì)是十分復(fù)雜的，這也是解決連梁剪壓比超限的難點(diǎn)之處。沒(méi)有明確的分析和比較，就難以避免走彎路，甚至適得其反。

2.4 增加連梁的跨高比

第2.3點(diǎn)的分析得出，增加或減小連梁的高度，很難從根本上解決連梁剪壓比超限的問(wèn)題。這時(shí)，如果試圖在連梁高度變化不大的情況下采用加大剪力墻洞口的寬度，可能將會(huì)產(chǎn)生意想不到的效果。特別是將跨高比提高到大于2.5（因?yàn)橐?guī)范對(duì)剪壓比的限值，跨高比2.5是個(gè)分界點(diǎn)。但從概念設(shè)計(jì)角度來(lái)講，不建議玩這種文字游戲）。跨高比的增加，使本剪力墻從圖1c情況向圖1d的趨勢(shì)發(fā)展，本片剪力墻吸引的剛度將大大減小的同時(shí)，連梁承擔(dān)的彎矩也大大減小。連梁的剪壓比超限的問(wèn)題將得到解決，但也帶來(lái)一些其他方面的改變：結(jié)構(gòu)的整體剛度將大大減小，結(jié)構(gòu)的周期、剛心、位移比等將改變；由于本片剪力墻剛度的減小，其他的抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)的水平地震剪力將增加。

2.5 連梁的鉸接處理

當(dāng)按以上方法均無(wú)果時(shí)，可以考慮采用《高規(guī)》的方法“當(dāng)連梁破壞對(duì)承受豎向荷載無(wú)明顯影響時(shí)，可按獨(dú)立墻肢的計(jì)算簡(jiǎn)圖進(jìn)行第二次多遇地震作用下的內(nèi)力分析，墻肢截面應(yīng)按兩次計(jì)算的較大值計(jì)算配筋”。本方法的基本思路是假定連梁在大震作用下剪切破壞，對(duì)剪力墻按獨(dú)立墻肢進(jìn)行第二次多遇地震下的分析（為減小結(jié)構(gòu)計(jì)算的工作量可將連梁按兩端鉸接處理，類似圖1b的情況），墻肢配筋取兩次計(jì)算的大值（一般情況下，連梁鉸接處理后，墻肢的內(nèi)力和配筋的計(jì)算結(jié)果會(huì)變大）。但此方法調(diào)整亦存在商榷之處：按獨(dú)立墻肢進(jìn)行二次多遇地震作用的內(nèi)力分析時(shí)，是認(rèn)為連梁對(duì)剪力墻的約束作用完全失效。事實(shí)上，通過(guò)采取恰當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施可確保連梁對(duì)剪力墻的約束不完全喪失，避免出現(xiàn)“獨(dú)立墻肢”。

按照此種方法，規(guī)范固然明確了剪力墻的計(jì)算和配筋方法。但是，對(duì)于連梁的設(shè)計(jì)方法規(guī)范卻未明確。對(duì)上述的連梁，應(yīng)根據(jù)剪壓比的限值來(lái)確定設(shè)計(jì)剪力，并按強(qiáng)剪弱彎的要求反算設(shè)計(jì)彎矩。以確保連梁有較大的承載能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

①由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性，連梁對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不像單片墻那么簡(jiǎn)單，隨著結(jié)構(gòu)形式的不同，聯(lián)肢墻在結(jié)構(gòu)中的比例不同，位置不同，連梁對(duì)結(jié)構(gòu)的影響以及結(jié)構(gòu)對(duì)連梁的影響將發(fā)生很大的變化。設(shè)計(jì)人員應(yīng)概念清晰，應(yīng)根據(jù)具體的工程多比較多分析。針對(duì)不同的情況采取不同的措施。

②對(duì)于連梁剪壓比超限的問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員應(yīng)足夠重視，在注重概念設(shè)計(jì)的前提下進(jìn)行理論分析，并采取合適的措施。

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