對剪力墻結構中連梁的認識

任 遷

(大同市二院建筑設計研究有限責任公司，山西大同 037008)

1 概述

我國現代社會經濟迅速發展，特別是城市建設的發展，促使高層建筑在一些二三線城市已經相當普遍，城市中的高層建筑是反映這個城市經濟和社會進步的重要標志，高層建筑結構具有以下優點:

1)高層建筑是提高土地容積率的有效措施?，F代社會土地價格日益高漲，一些開發商為了獲取更大的利益只能提高容積率。在相同的建設場地中，建造高層建筑可以獲得更多的建筑面積，這樣可以解決城市用地緊張和地價高漲的問題。2)設計精美的高層建筑可以為城市增加景觀，提高城市形象。3)在建筑面積與建設場地面積相同比值的情況下建造高層建筑比多層能提供更多的空閑地面，這些地面用作綠化和休息場地，可以美化環境。4)高層建筑可以縮小城市的平面規模，縮短城市道路和各種管線的長度，從而節約投資。

綜上所述，建造高層建筑利大于弊，合理的設計可以達到美化城市的效果。在相當長一段時間內高層建筑仍將是我國大部分城市建設中的主要建筑形式。這就要求我們結構設計人員掌握高層建筑的作用機理更好地服務于社會。

2 連梁的特點、受力機理及破壞形態

眾所周知，剪力墻結構是現代商品住宅的主要形式，最早人們認為這類結構延性很差甚至沒有延性，但經過研究和各種試驗證明發現合理設計的剪力墻結構具有良好的延性。該結構的延性主要通過連梁實現，連梁是高層建筑的剛度調節器，是高層建筑主要耗能構件，是抗震設防的第一道防線，它的合理設計將為整幢建筑延性做出重大貢獻。所以我們來認識一下連梁。

在剪力墻結構、框架剪力墻及框筒結構中，連接墻肢與墻肢，墻肢與框柱的梁稱為連梁。連梁的特點:截面大，跨度小，與之相連的墻體剛度一般都很大。在水平荷載(風或地震荷載)作用下，連梁內力也很大。同時在高層建筑中，連梁兩端墻肢的不均勻壓縮，會引起連梁兩端的豎向位移差，這個差值也會引起連梁內力。

下面以雙肢墻為例說明連梁的受力機理:

離地面距離為X的某處某一水平截面處的彎矩為M，則由平衡條件可知:

由上述公式可見:1)任意截面X的彎矩M是由局部(M1+M2)和整體彎矩NA兩部分組成的，整體彎矩大，局部彎矩就小。2)任意一個截面上的整體彎矩等于該截面以上所有連梁約束彎矩的總和，因此可以說，整體彎矩由連梁提供;整體彎矩越大，說明兩個墻肢共同工作的程度越大，越接近于整體墻。所以整體彎矩的大小反映了墻肢之間協同工作的程度，這種程度稱為剪力墻的整體性。因為整體彎矩是由連梁對墻肢的約束提供的，而連梁的剛度與洞口的大小有關，在水平荷載(地震或風荷載)作用下，墻肢產生彎曲變形，使連梁產生轉角，從而使連梁產生內力，而連梁端部的彎矩、剪力和軸力同時減小了墻肢的內力和變形，共同承擔墻肢總彎矩。下面我們再看一下連梁的破壞形態，高層建筑在水平荷載作用下，連梁的破壞形態有兩種:a.剪切破壞(脆性破壞);b.彎曲破壞(延性破壞)。連梁發生剪切破壞，產生十字交叉裂縫，喪失承載力，連梁退出工作，墻體總彎矩將內力重分配，全部由墻肢承擔。各墻肢喪失了連梁對它的約束作用，成為單片的獨立墻肢，剛度大大降低，變形加大，并且進一步加大墻肢的P—⊿效應，從而導致墻體倒塌。連梁發生彎曲破壞即延性破壞后，梁端出現垂直裂縫，受拉區出現微裂縫，在梁端形成塑性鉸，結構剛度降低，變形加大，從而吸收地震能量，但是塑性鉸能承受一定的彎矩和剪力，起到約束墻肢的作用，使剪力墻保持良好的剛度和強度，在這一過程中連梁起到耗能作用，在地震荷載作用下這種裂縫不斷加寬發展，直至混凝土受壓破壞。由此可見，連梁對剪力墻延性起到至關重要的作用。所以我們在結構設計中應注意連梁的處理。

3 連梁的合理級配問題

目前，有一些工程尤其是下部一至二層為商業網點上部為剪力墻住宅，為降低工程造價不做轉換結構，剪力墻開洞較大，均是跨高比大于5的框架梁，梁的剛度較小，結構整體剛度也較小，地震作用也較小，這類結構從現行規范條文來看沒有什么毛病，結構的經濟性也較好，但仔細分析這類結構受力和變形特性接近框架結構，當層數較多時對抗震是不利的，宜避免。合理剪力墻結構應該是強弱連梁合理搭配，不能全部為強連梁，否則結構剛度過大，反而引起地震作用更大，結構成本無端增加。但也不能全部為弱連梁，否則整個結構缺少耗能構件，不能成為延性結構，沒有多道防線，與我們抗震設防目標不符。級配合理是指強弱連梁合理搭配，大震下，弱連梁退出工作，僅作為連桿傳遞水平力，線剛度較大的強連梁繼續耗能，使得結構具有較高的延性。

4 連梁與框架梁的區別

二者的主要區別在跨高比，跨高比小于5的為連梁，其變形特征為剪切變形，在反復荷載作用下斜裂縫擴展到全對角線，發生剪切破壞。跨高比大于5的梁為框架梁，其變形特征為彎曲變形。實際設計時，將跨高比大于5的按框架梁輸入，跨高比小于2.5按洞口輸入，跨高比在2.5～5時酌情處理，但構造應與計算相結合。

5 連梁的超筋問題

連梁的超筋問題是我們在結構設計中經常遇到的問題，而且有時束手無策，遇到連梁超筋時，我們不能馬上調整，應仔細分析超筋原因，然后對癥下藥，不能“頭疼醫頭腳疼醫腳”，如果遇到某一或二層連梁超筋，我們可以調低本層連梁剛度，調高其他樓層連梁剛度，將地震力重新分配，解決連梁超筋問題。當連梁剪壓比不滿足高規7.2.22所示的名義剪應力時我們應采取以下措施:

1)加大洞口寬度，增加連梁的跨度。2)降低連梁的剛度，考慮在水平力作用下，連梁由于開裂而剛度降低，故在進行彈性內力分析時，適當降低連梁剛度?？紤]的折減系數不得小于0.5，連梁剛度降低，內力轉移到墻體上，但是應注意折減系數不得小于在平時使用荷載作用下的內力，也就是說在豎向荷載和風荷載作用下的內力，特別是風荷載比較大的地區。否則平時可能開裂，影響正常使用，我們可以考慮設防烈度6度的情況驗算。3)增加墻體厚度，也就是增加連梁的寬度，而增加墻厚所產生的地震力不按墻厚比例分配給墻體，而是小于這個比例，所以承載力不超限。4)提高混凝土強度等級，混凝土強度提高，則其抗剪強度提高。5)設置成雙連梁，采取在連梁中部設置水平縫的辦法，將整個截面高度的連梁分割成兩個截面高度相等的小截面連梁，即連梁按抗剪截面相等的原則等效。等效后寬度為小截面連梁寬度的2倍，高度與小截面連梁相等。6)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(即連梁不作為次梁或主梁的支承梁)時，將連梁兩端按鉸接處理，在大震下，連梁退出工作，內力重新分配獨立墻肢，所以獨立墻肢按第二次多遇地震作用下的結構內力分析，墻肢按兩次計算所得的較大內力進行配筋設計，保證墻體安全。

綜上所述，連梁對高層剪力墻結構至關重要，是高層剪力墻結構剛度調節器，是高層剪力墻耗能元件，是結構延性控制器。我們遇到超筋時，決不能置之不理，應該仔細分析原因，某些超筋層數不多或超出較小時才可以不理，否則造成平時使用時連梁開裂，或在小震情況下連梁開裂，引起業主恐慌，而且與“小震不壞”的抗震設防目標不一致。

［1］ GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［2］ 呂西林.高層建筑結構［M］.武漢:武漢理工大學出版社，2008.

［3］ 張維斌.多層及高層鋼筋混凝土結構設計釋疑及工程實例［M］.第2版.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［4］ GB 50003-2011，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［5］ 朱炳寅.建筑結構設計問答及分析［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.