高層建筑連梁設計和分析

趙 鵬

(山西省建筑設計研究院，山西太原 030013)

1 連梁的概念及特性

連梁是指在剪力墻結構和框架—剪力墻結構中連接剪力墻與剪力墻、剪力墻與框架柱且跨高比小于5的梁。連梁往往受建筑設計的限制具有跨度小，截面大，在水平力作用下與之相連的構件剛度大，容易出現剪切斜裂縫等特點。設計時即使采取各種措施如:減小連梁高度;在結構計算時對連梁剛度進行折減;提高混凝土強度等級;增加墻厚從而增加連梁的截面寬度等，仍無法保證全部連梁設計符合要求。連梁的設計、構造不當又將會造成結構在抵抗水平力時的強度、剛度不能達到要求，進而影響結構的豎向承載力。

2 連梁的工作機理

高層建筑在風荷載和地震荷載的水平力作用下，墻肢彎曲變形，使梁端產生一定的角度，連梁由此產生內力。同時連梁產生的內力又對與之相連的墻肢起到了約束作用，使其能夠保持足夠的剛度和強度，從而減小墻肢的內力和變形，改善其受力狀態。

3 連梁的破壞機制

高層建筑中連接墻肢的連梁在風荷載和地震荷載作用下的破壞分為兩種:脆性破壞(剪切破壞)和延性破壞(彎曲破壞)。

1)連梁在發生脆性破壞時，與之相連的墻肢形成單片墻，喪失了連梁對其的約束作用，使結構的側向剛度減小，墻肢彎矩增大，最終導致喪失承載力。因此剪力墻結構設計中要求墻肢和連梁均不發生脆性破壞，同時要求連梁的屈服應該早于墻肢的屈服，具有良好的延性并且滿足強剪弱彎的要求。2)連梁在發生延性破壞時，梁端出現裂縫，形成塑性鉸，連梁的屈服早于墻肢的屈服，致使結構的側向剛度減小，變形加大，從而可以吸收更多的地震能量。同時連梁對墻肢仍能起到一定的約束作用，通過塑性鉸傳遞部分彎矩和剪力(這個彎矩往往是足夠承擔連梁跨度內的荷載)，使墻肢保持足夠的剛度和強度，減少墻肢內力，延緩墻肢屈服。連梁具有約束墻肢、增大墻肢剛度和強度，承受和傳遞彎矩、剪力的作用。考慮到連梁在結構抗震設計中的重要作用，對其提出了特殊設計要求:1)在小震和風荷載正常作用狀態下，不能產生裂縫;2)在中震作用下應首先出現彎曲屈服，起到消耗地震能量的作用;3)在大震作用下，可能出現剪切破壞。

4 連梁的超筋問題及措施

在結構計算中，構件一般考慮按彈性計算，此時墻肢的剛度遠遠大于連梁的剛度，在水平力作用下墻肢稍微有所變形，連梁就會承擔極大的彎矩和剪力，最終導致連梁先出現開裂發生破壞，因此在實際工程中必須保證連梁的延性要求，滿足強剪弱彎的原則，使之成為抗震的第一道防線。當剪力墻連梁不滿足截面控制條件要求時，可采取如下措施處理:1)減少連梁截面高度。根據計算我們可以得知，如果連梁截面越大，剛度則越大，越容易超筋。根據《建筑抗震設計規范》6.4.7對跨高比較小的高連梁，可設水平縫形成雙連梁、多連梁的構造。連梁截面高度減小，則連梁抗彎剛度減小，故水平荷載作用下的梁端彎矩減小，在連梁跨度不變的情況下梁端的剪力也會減小。2)增加剪力墻厚度。一方面墻厚的增加使結構整體剛度增大，水平力作用下的內力也隨之增加;另一方面相應的增加連梁截面寬度并使其受剪承載力得到提高。而地震作用分配給該片剪力墻的內力小于墻厚增加的比例。加大連梁截面寬度雖有一定的效果，但可能影響到建筑的使用功能。3)提高混凝土強度等級。使得混凝土受剪承載力提高的比例大于結構增加的地震作用效應。4)對連梁進行剛度折減。由于連梁在結構中的獨特性能，在風荷載和地震荷載作用下的內力很大，因此為了減小連梁內力，需在結構計算時對其進行剛度折減。根據《建筑抗震設計規范》(2010版)6.2.13規定，在實際設計中我們可取大于0.50的調整系數，以符合截面設計的要求。在滿足結構整體剛度的前提下，上述措施中可先考慮折減連梁剛度的方法，如果不能解決問題時可考慮其余措施進行處理。

5 連梁的設計及構造要求

1)剪力墻開洞形成的跨高比小于5的梁，應按連梁設計，此梁均應取與剪力墻相同的抗震等級，且剪力墻洞口宜上下對齊，洞口邊端柱不宜小于300 mm。當連梁跨高比不小于5時，此梁受力狀況和一般框架梁相似，故宜按框架梁進行設計。2)剪力墻結構和部分框支剪力墻中，剪力墻不宜過長，較長的剪力墻宜設置跨高比較大連梁，將一道剪力墻分成長度均勻的若干墻段，各墻段的高度與墻段長度之比不宜小于4，墻段長度不宜大于8 m。3)連梁的剛度折減依據《建筑抗震設計規范》6.2.13規定不宜小于0.5。4)連梁的剪力設計值應符合《高層建筑混凝土結構技術規范》7.2.22規定。5)連梁的斜截面受剪承載力應符合《高層建筑混凝土結構技術規范》7.2.23規定。6)跨高比不大于1.5和大于1.5的連梁縱向鋼筋的最小配筋率應分別符合圖集《建筑物抗震構造詳圖》11G329-1第39頁表43和表44的規定。并要求連梁上下邊緣單側縱向鋼筋的最小配筋率不應小于0.15%，且配筋不宜少于2，12。7)連梁縱向鋼筋的最大配筋率應符合《高層建筑混凝土結構技術規范》7.2.25規定。8)連梁配筋構造應符合《高層建筑混凝土結構技術規范》7.2.27規定。9)各類結構中，樓面主梁不宜支承在剪力墻洞口的連梁上，但為了滿足設計需求必須設置在連梁上時，應當增強該連梁配筋。10)根據《高層建筑混凝土結構技術規范》7.2.26.3規定，假定連梁在大震下破壞，不再對墻肢起到約束作用，可考慮連梁不參與工作。11)連梁出現超筋超限時，可根據《建筑結構專業技術措施》附錄G進行相關計算。12)對于一、二級抗震等級的框架—剪力墻結構及筒體結構連梁，當跨高比不大于2.5且需采用交叉筋或對角暗撐時，連梁構造詳見《建筑物抗震構造詳圖》11G329-1第4頁～第5頁、第4頁～第6頁。

6 結語

連梁設計作為剪力墻結構設計中一項重要環節，受內力、剛度等很多因素的制約，所以應當首先了解其工作機理及特性，并從概念設計的需要和可能，在滿足各項要求的情況下對其進行設計。

［1］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［2］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［3］建筑物抗震構造詳圖11G329-1［Z］.

［4］北京市建筑設計研究院.建筑結構專業技術措施［M］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［5］高立人.高層建筑結構概念設計［M］.北京:中國計劃出版社，2005.

［6］方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結構概念設計［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［7］王志全.高層建筑剪力墻中的連梁設計［J］.山西建筑，2007，33(31):79-80.

［8］徐 建.建筑結構設計常見及疑難問題解析［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.