淺談連梁在結構抗震中的合理設計

【摘要】文章分析了框架-剪力墻及剪力墻結構體系中連梁的工作與破壞機理， 并提出對連梁合理設計的建議。

【關鍵詞】剪力墻結構；連梁設計

前 言

隨著我國工業化、城市化建設進程的加快， 城市建設不斷朝著高層、超高層建筑方向發展，框架-剪力墻及剪力墻結構體系設計日漸頻繁，結構體系中連梁不僅是墻肢之間傳力的紐帶，而且還是抗震設防的第一道防線和主要耗能構件，設計是否合理直接決定建筑抗震性能好壞，其合理的剛度對結構的安全、經濟性影響重大。下面對連梁的工作機理進行探討并提出連梁設計相關建議，為工程設計提供參考。

1、連梁的工作和破壞機理

1.1 高層建筑在風荷載和地震力作用下， 由于連梁兩端的墻肢受到不均勻地壓縮， 在連梁兩端產生豎向的位移差， 并在連梁內產生內力。但是連梁端部的彎矩、剪力和軸力反過來減小了墻肢的內力與變形， 對墻肢起到一定的約束作用， 并改善了墻肢的受力。

1.2 高層建筑剪力墻的連梁在水平荷載作用下的破壞可分兩種， 第一種屬于脆性破壞（即剪切破壞）， 第二種屬于延性破壞（即彎曲破壞）。當連梁發生脆性破壞時其承載力喪失，如果沿墻全高所有連梁均發生剪切破壞時， 各墻肢就喪失了連梁對它的約束作用， 并成為單片的獨立梁。從而造成結構的側向剛度大大降低， 結構的變形加大， 并且進一步增大P—Δ 效應（豎向荷載由于水平位移而產生的附加彎矩）， 最終可能造成結構的倒塌。當連梁發生延性破壞時， 梁端出現垂直裂縫， 受拉區出現微裂縫， 在地震作用下會出現交叉裂縫， 并形成塑性鉸， 因此結構剛度降低， 變形加大， 從而會吸收大量的地震能量。由于通過塑性鉸仍能繼續傳遞彎矩和剪力， 并對墻肢起到一定的約束作用， 使得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展、加寬， 直到混凝土受壓破壞。

2、合理結構體系的連梁設計

根據以上對連梁的工作和破壞機理的分析， 為保證墻肢和連梁一致協同地工作， 在正常的使用荷載和風荷載作用下，結構應處于彈性工作狀態， 連梁不應該出現塑性鉸。在地震作用下， 結構允許進入彈塑性狀態， 連梁可以產生塑性鉸。根據抗震設計規范總則的要求，所以連梁設計的要求符合“強剪弱彎”的原則， 連梁的屈服要早于墻肢的屈服， 并保證墻肢和連梁具有良好的延性。因此在日常設計中， 為了建立合理的結構模型， 我們應該把握以下幾種方法：

2.1 連梁剛度的折減

<1> 《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的連梁剛度可以折減， 折減系數不宜小于0.5。之所以考慮對連梁剛度進行折減， 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更大， 因此剛度降低更多。剛度折減越多意味著在設計荷載作用下裂縫開展越大。在超載時， 如發生強大的陣風力或地震烈度超過多遇地震烈度時， 塑性鉸就會出現更早， 所以要加強連梁的延性和使連梁符合強剪弱彎要求。對位移由風荷載控制的建筑， 為避免連梁在使用荷載作用下裂縫開展過大， 連梁剛度折減系數不宜小于0 .8 。按《高規》規定， 在計算豎向荷載作用下的內力時， 對已經考慮連梁調幅的， 不應再考慮剛度折減。

2.1 .2 抗震設計剪力墻結構連梁的彎矩和剪力可進行適當塑性調幅， 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， 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）后的彎矩設計值不宜小于調幅前（完全彈性）的0.8 倍（6， 7 度）和0.5 倍（8， 9 度）。但是我們應該注意：

（1）這調整方法考慮連梁端部的塑性內力重分布， 對跨高比較大的連梁效果比較好， 而對跨高比較小的連梁效果較差。

（2）經此調整， 仍可確保連梁對承受豎向荷載無明顯影響。

2.2 加大連梁跨度減小其高度

在連梁設計過程中， 其剛度經折減后， 仍有可能發生連梁正截面受彎承載力或斜截面受剪承載力不夠的情況， 這時可以增加洞口的寬度， 以減小連梁剛度。減小結構的整體剛度， 就是減小了地震力作用的影響， 使連梁的承載力有可能不超限。如果只是部分連梁超筋或超限， 則可采取調整連梁內力來解決。但是調整的幅度不宜大于20 %， 且連梁必須滿足強剪弱彎原則。

2.3 加大剪力墻厚度

為了是增加連梁的截面寬度。一方面由于結構整體剛度加大， 地震作用產生的內力增加， 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。

2.4 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。

2.5 處于地震區的高層建筑剪力墻的連梁

在進行了上述調整后， 仍有部分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，應重新計算整個結構， 必要時調整結構布置， 使連梁的承載力符合要求。

2.6 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（即連梁不作為次梁的支承梁）時， 可假定該連梁在大震下破壞， 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。實際計算時， 為減小結構計算工作量， 可將連梁按兩端鉸接梁計算。這時我們應該注意：

（1）事實上， 通過采取恰當的構造措施可確保連梁對剪力墻的約束不完全喪失， 避免出現獨立墻肢。采用鉸接處理就是考慮了大震時連梁對剪力墻仍能保持一定的約束作用。

（2）調整的連梁為其破壞對承受豎向荷載無明顯影響的連梁， 即該連梁不作為次梁或主梁的支承梁。

（3）此計算為第二次， 是對剪力墻進行包絡設計的重要步驟之一。

（4）實際操作中， 經常會出現將某根超筋連梁進行鉸接處理后， 引起其他位置原來不超筋的連梁超筋。上述的措施中， 在滿足結構整體剛度的情況下， 可優先采用剛度折減， 如果仍超限， 可采用其余措施， 如在連梁中部開水平縫等等。但是總的原則是建立合理的模型并盡可能不超筋。

3、結 語

在框架-剪力墻及剪力墻結構體系的抗震設計中，連梁作為抗震設防的第一道防線和主要耗能構件，設計是否合理直接決定建筑抗震性能好壞，其合理的剛度對結構的安全、經濟性影響重大。應通過結構合理分析比較，綜合考慮多方面因素對連梁變形能力、破壞形式和耗能能力的影響，并在保證“強剪弱彎“的原則同時合理控制連梁的剛度。

[1]《高層建筑混凝土結構技術規程》中國建筑工業出版社.JGJ3-2010.

[2]《建筑抗震設計規范》中國建筑工業出版社.GB50011-2010 .

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

[4]《高層建筑混凝土結構技術規程理解與應用》徐培福，黃小坤.北京：中國建筑工業出版社2003.03