探討高層建筑剪力墻中連梁的設計

聶培峰

摘 要：探討分析了高層建筑剪力墻中連梁的受力及破壞機理，提出連梁的概念設計方法，并介紹了工程中連梁的設計方法。

關鍵詞：高層建筑；連梁；設計

在剪力墻結構和框架—剪力墻結構中，連接墻肢與墻肢、墻肢與框架柱的梁稱為連梁。連梁在結構中除了承受豎向荷載外，在風荷載和水平地震作用下也會產生很大的內力。另外在高層建筑中由于連梁兩端的豎向不均勻變形，會引起連梁兩端的位移差，也在連梁內產生內力。本文通過對連梁在水平荷載作用下的受力及破壞機理加以分析，與大家共同探討高層建筑連梁設計的方法。

1 水平荷載作用下連梁的受力及破壞機理

在風荷載和地震荷載作用下，墻肢產生彎曲變形，使連梁產生轉角，從而使連梁產生內力。同時連梁端部的彎矩、剪力和軸力又反過來減少了墻肢的內力和變形，對墻肢起到了一定的約束作用，改善了墻肢的受力狀態。

高層建筑剪力墻中連梁在水平荷載作用下的破壞分為兩種，即脆性破壞（剪切破壞）和延性破壞（彎曲破壞）。連梁在脆性破壞時就喪失了承載力，在沿墻全高所有連梁均發生剪切破壞時，連梁就喪失了墻肢對它的約束作用變成單片的獨立梁。這會使結構的側向剛度大大降低，變形加大，墻肢彎矩加大，從而進一步增加P-△效應，并最終可能導致結構的倒塌。連梁在延性破壞時，梁端會出現垂直裂縫，受拉區會出現微裂縫，在地震作用下會出現交叉裂縫，并形成塑形鉸，結構剛度降低，變形加大，從而吸收大量的地震能量，同時通過塑形鉸仍能傳遞彎矩和剪力，對墻肢起到一定的約束作用，使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，直至破壞。

2 連梁的概念設計

為了實現結構的合理設計，首先需要在設計初期確定結構方案時應用概念設計的方法對剪力墻的平面布置，梁高的確定做好控制，為施工圖連梁的合理設計打下良好的基礎。

2.1 以“均勻、分散、周邊”的一般性原則為主導

均勻，分散是要求剪力墻的片數要多，每片的剛度不要太大。不要僅設置一兩片剛度很大、連續很長的剪力墻，這是因為片數太少，地震中萬一個別剪力墻破壞后，剩下的幾片墻難以承受全部地震力。同時由于單片墻剛度太大，使得其承受的地震彎矩也較大，從而使得連梁的截面設計也變得非常困難。

2.2 連梁的截面高度應適宜

連梁的剛度、承載力和變形能力能夠與墻肢相匹配，避免連梁過強而使墻肢產生較大拉力而過早出現剛度和承載力退化。一般情況下，聯肢墻宜采用弱連梁，即在地震作用下連梁的總約束彎矩不大于該層聯肢墻所承受的總彎矩的20%。

2.3 不宜將樓面主梁支承在剪力墻之間的連梁上

一方面主梁端部約束達不到要求，連梁沒有抗扭剛度來抵抗平面外彎矩；另一方面對連梁不利，連梁本身剪切應變較大，容易裂縫，主梁支承在連梁上使得連梁更加容易出現剪切破壞。而且計算時不宜對該連梁剛度進行折減，增加了連梁設計的困難。

3 工程中連梁設計的一些方法

在實際工程中，由于各種限制，上述概念設計的原則不一定能全部得到滿足。連梁超筋就是經常出現甚至是不可避免的問題。根據長期工程設計的經驗，在此提出一些剪力墻連梁設計的方法供大家探討：

3.1 對連梁剛度進行折減

豎向荷載作用下，連梁剛度不宜折減，其支座彎矩可以通過彎矩調幅來降低，在水平荷載作用下，連梁的剛度可以折減：當風荷載為控制性水平荷載時不宜小于0.8 ；當地震力為控制性水平荷載時不宜小于0.55。

3.2 進行塑性調幅

當連梁剛度折減后，連梁的承載力仍然不符合要求時，高規7.2.25條規定了連梁彎距及剪力可進行塑性調幅，以降低剪力設計值。首先，連梁彎矩設計值是包括豎向和水平兩部分荷載所產生的內力的，豎向荷載作用下的連梁負彎矩是不能通過提高其他構件的彎矩來調整的，因此，此處的彎矩調整不應該包括豎向荷載產生的彎矩在內；其次，對連梁的剛度已經充分折減時，彎矩調整宜慎重。當為風荷載控制時，在對連梁剛度進行折減后，連梁的彎矩設計值不宜再進行調整。

3.3 減小連梁截面高度

減小連梁截面高度，連梁剛度也隨之減小，也就減少了地震作用的影響，使連梁的承載力有可能不超限。此時需注意連梁高度不宜太小，因為連梁高度太小不能消耗較多的能量以減輕墻肢的破壞，而且不能提供給墻肢足夠的約束以抵抗地震力。

3.4 加大洞口寬度

洞口寬度加大后，連梁跨度也隨之加大，在連梁截面高度不變的情況下，同樣起到了減小連梁剛度的作用。此方法多用于結構洞的處理。

3.5 增加墻厚

增加墻厚也就是增加連梁的截面寬度。其結果是一方面由于結構整體剛度增大，地震作用產生的內力增加，另一方面連梁受剪承載力與梁寬的增加成正比。由于該墻體增加后，地震作用所產生的內力并不按厚度增加的比例分給剪力墻，而是小于這個比例，因此有可能使連梁受剪承載力不超限。

3.6 連梁設水平縫形成雙連梁

當由于實際情況限制無法采用方法三，方法四時可采用在連梁中部設水平縫的方法，在洞口上方形成雙連梁。水平縫可設在連梁沿高度方向中央，厚度可為100mm，待混凝土澆筑完成后用砂漿填實。其實質是減小連梁高度的同時增加連梁的寬度。

3.7 提高混凝土強度等級

因混凝土強度等級提高后，其彈性模量增加的比例遠小于混凝土受剪承載力提高的比例，因而可能使連梁的受剪不超限。但在實際工程中混凝土強度不可能隨意提高，故此方法應用范圍有限。

3.8 考慮連梁不參與工作

當采用上述方法后，部分連梁仍然超筋時，可根據《高層建筑混凝土結構技術規程》7.2.26的要求，當連梁破壞對承受豎向荷載無明顯影響時，可按獨立墻肢的計算簡圖進行第二次多遇地震下的內力分析，墻肢截面應按兩次計算的較大值計算配筋。應當指出，本條方法僅僅是在有少數連梁超筋的情況下采用。

3.9 其他

目前對連梁還有配置對角斜向鋼筋，加設交叉暗撐，內置型鋼或鋼板，采用鋼纖維混凝土等方法，對提高連梁抗剪承載力均有一定的幫助。

4 結語

（1）連梁是高層建筑結構體系中重要的抗震耗能構件，在設計時應根據強剪弱彎的原則和多道抗震防線的要求，與墻體一起綜合考慮。（2）連梁的剛度應該適宜，既不能太大使墻肢產生較大拉力而過早出現剛度和承載力退化，也不能過小使得連梁不能消耗較多的能量以減輕墻肢的破壞而且不能給墻肢提供足夠的約束以抵抗地震力。