高層建筑剪力墻的連梁設計分析

肖超+李銀娟

摘 要：作為剪力墻結構中的基本構件，連梁對于改善結構的承載力與抗震性能具有重要作用。本文首先分析了高層建筑剪力墻的連梁工作原理及水平荷載下的破壞形態，然后具體闡述了連梁的設計要點，以期為相關設計與技術人員提供參考。

關鍵詞：高層建筑；剪力墻；連梁設計

連梁是指在剪力墻結構中，框架柱與墻肢、墻肢與墻肢間連接的梁。在剪力墻結構中所使用的連梁通?？缍刃　⒏叨却螅糠纸ㄖ械母呖绫纫?.5以下。在高層建筑中由于非均勻性壓縮對連梁兩端墻肢的影響會造成連梁兩側產生不同的位移量，進而導致連梁內形成較強內應力，若未能采取有效措施降低此種影響，則很可能引發連梁承載力降低進而造成連梁破壞。因此，加強有關高層建筑剪力墻連梁設計的分析，對于提高剪力墻的連梁承載性能具有重要的現實意義。

1 高層建筑剪力墻的連梁工作原理及水平荷載下的破壞形態

1.1 剪力墻連梁工作原理

由于地震荷載與風力荷載的共同作用，剪力墻結構中的墻肢會出現嚴重的變形彎曲問題，在變形應力的影響下連梁會發生轉角，進而導致連梁內內形成較強的內應力。而同時由于連梁兩邊的軸力、剪力與彎矩作用又會使墻肢的變形與內力影響不斷降低，進而調整墻肢的受力狀況。

1.2 剪力墻連梁在水平荷載下的破壞形態

高層建筑中連梁的承載力、墻肢與連梁高度比、開洞范圍等都會影響聯肢墻在水平荷載作用下的破壞形態，通常有延性破壞與脆性破壞兩種。而延性破壞的主要類型有：

1.2.1 若連梁的抗剪承載力不足則在外界作用力下連梁會首先出現剪切破壞，進而引起墻肢約束破壞構造出獨立的墻肢。相比較連梁未破壞的墻肢，破壞后的墻肢軸力明顯降低，彎矩擴大，且側向剛度也大幅度減少。

1.2.2 當連梁具有較高的承載力和剛度時，連梁的屈服程度將會大幅度降低，由于開洞剪力墻具有與整體懸臂墻相同的性能，因此只有在底層發生塑性鉸的狀況下連梁才會出現破壞。若能保證墻肢的抗剪承載力符合設計需求，墻肢就能盡量延長剪切破壞的發生期限，因此此種破壞也是具有延性效果的彎曲破壞。

1.2.3 當連梁的抗彎承載力與剛度與墻肢相差甚大，且連梁的延性性能良好時，那么在連梁的兩端會首先出現塑性鉸，等到塑性鉸出現在墻肢底部時才會形成破壞機構。在大量連梁兩邊塑性鉸形成的過程中地震能量會被大部分的吸收，且塑性鉸能夠對彎矩與剪力持續傳遞，使墻肢的約束彎矩形成過程中能夠保證剪力墻較高的承載力與剛度，且墻肢底部的塑性鉸也具備較高的延性，這使得孔洞剪力墻具有更高的延性性能。

2 高層建筑剪力墻的連梁設計要點

在連梁與墻肢的共同配合下，剪力墻的剛度與強度要求也相對較高。通常結構在風力荷載與使用荷載的共同作用下應當保持一定的彈性工作狀態，且連梁應避免出現塑性鉸。而在地震荷載作用下，由于結構進入塑性狀態的周期較短，所以連梁可以出現塑性鉸。在實際的連梁設計中需要控制的要點有：

2.1 連梁的配筋設計

在連梁的配筋設計中，通常采用加大配筋量、控制箍筋與縱筋比率的方式來滿足抗震標準，但在實際的實踐研究中發現，此種方式不僅不能改善連梁的剪切脆性破壞過程，還會引起用鋼量的擴大，不利于節省成本。所以應當考慮采用菱形配筋方法，此種配筋方法能夠解決原有斜交叉配筋方式的多種問題：在連梁的中點重合位置安置對角線鋼筋，由于此處的截面抗彎承載力失效，需要使用水平縱筋來避免截面上發生的彎矩；為避免對角線鋼筋的壓區，需要額外配備較多的箍筋；在斜交叉配筋中對角線的鋼筋坡度較緩，在改善抗剪性能的效果方面不明顯。

在進行斜截面承載力計算時，為避免連梁出現較嚴重的剪切破壞，應當增強連梁的抗剪承載力，所以在計算時應當通過強屈比來控制剪力的設計值。計算時要滿足：

Ky*V≤Vcs

其中Ky表示強屈比，即指連梁截面的極限破壞剪力與縱筋屈服時的剪力比，通常取1.10；V表示在連梁邊際截面所需的剪力設計值；Vcs表示連梁的抗剪承載力，其通常由主鋼筋斜向段、橫向鋼筋與鋼筋混凝土共同承擔的剪力值構成。

2.2 連梁的截面設計

連梁作為剪力墻結構的重要承力構件，若出現了較大的平均剪應力，則在箍筋未發生作用時連梁就已經出現了剪切破壞。按照相關實踐研究計算發現，連梁的截面內平均剪應力大小會嚴重影響連梁的破壞性能，特別是在小高跨比因素影響下，所以應當恰當控制連梁的截面尺寸，從而調整截面處的平均剪應力。連梁截面設計公式為：

Vb≤1/γRE（0.15βcfcbbhbo）

其中Vb表示連梁的剪力設計值；γRE表示構件的承載力抗震調整系數；βc表示混凝土的強度影響系數；fc表示混凝土的軸心抗壓強度設計值；bb閉式連梁的截面寬度值；hbo表示連梁截面的有效高度。

在連梁的截面驗算時應當考慮斜截面受剪承載力與正截面的受彎承載力兩方面的內容。斜截面受剪承載力是連梁截面計算的重點，尤其在剪力設計值計算時要通過控制增大受剪承載力來提高連梁的強剪抗彎性能；由于連梁通常采用對稱配筋方式，所以可以采用雙筋截面驗算連梁截面，采用受拉鋼筋對受壓鋼筋取矩就能獲得相應的受彎承載力。

2.3 使用開縫連梁方式

在連梁設計時，在其高度中央制成較長的水平縫，以此降低延性的彎曲破壞。此種方式能夠解決舊抗震連梁的許多問題。在小等級地震作用實踐中發現，由于連系梁具有較強的剛度，采用此種連梁方式可以有效約束墻肢、保證剪力墻的抗側剛度滿足要求；在大等級地震中，混凝土鍵發生開裂而形成2個獨立受彎的構件，剪切脆性破壞轉變為彎曲延性破壞，同時利用混凝土的剪摩擦作用可以明顯分散地震能量，提升剪力墻的抗震性能。

2.4 減少連梁的彎矩

在進行連梁設計時通過減少連梁的彎矩能夠有效降低連梁的抗彎承載力，進而使連梁的塑性鉸出現在早期，同時改善了連梁的平均剪應力，提高其延性。減少連梁的彎矩可以通過以下兩種方式：一是采用彈性分析方式調整內應力，通過調整后的彎矩對連梁的配筋過程進行控制。通常是調整降低中部彎矩中的較大部分，調幅比彈性計算降低應不大于20%；二是在采用彈性內力分析時，合理降低連梁的剛度。按照規程，在計算分析位移與內應力時，抗震設計的框架即剪力墻結構或框架剪力墻結構中的連梁剛度可以及進行適當的折減，其折減系數應當在0.5以上。

3 結語

連梁構件的設計質量將直接關系著高層建筑剪力墻的抗震性能，因此，相關技術與設計人員應當加強有關高層建筑剪力墻的連梁設計分析，總結連梁設計中的技術措施與設計要點，以逐步改善高層建筑剪力墻結構連梁設計質量。

參考文獻

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