高層建筑連梁設計探討

林 雪

(福建眾合開發建筑設計院 福建福州 350004 )

高層建筑連梁設計探討

林 雪

(福建眾合開發建筑設計院 福建福州 350004 )

本文分析了高層建筑中連梁的受力性能和破壞機理，介紹了結構設計中連梁按“強墻弱梁” “強剪弱彎”進行設計的計算方法，并提出了連梁超限問題的處理方法。

連梁;強剪弱彎;彎矩可塑性調幅;剛度調整

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引 言

剪力墻是一種抵抗側向力的結構單元。連梁是指兩端與剪力墻在平面內相連的梁。剪力墻必須依賴各層樓板作為支撐，保持平面外的穩定。在地震荷載的作用下由于剪力墻平面內剛度很大，會吸收很大地震剪力，連梁與剪力墻平面內相連傳遞墻與墻之間的內力。剪力墻結構中連梁對剪力墻的作用非常大。

1 連梁的工作原理

在高層建筑結構中，連梁一般承受由樓板傳遞的豎向荷載與風荷載或地震作用引起的水平荷載，但豎向荷載對小跨高比連梁的破壞形態并不起主要作用。通常情況下，剪力墻在水平荷載作用下墻肢底部所受彎矩最大，整個結構呈彎曲變形為主，受拉墻肢與受壓墻肢的變形的不一致直接造成連梁的兩端產生反向相對變形，所以連梁承受了比較大的剪力，它將兩端墻肢連接起來，此種雙肢剪力墻的受力特點與連梁的跨高比、連梁與墻肢的剛度比有直接的聯系，一般情況下，破壞時首先出現在中間樓層處的連梁與剪力墻連接部位。隨著荷載的增加，其他層連梁端部相繼屈服。

圖1 連梁的變形和裂縫

連梁在水平荷載作用下會產生彎曲破壞和剪切破壞。剪切破壞是一種脆性破壞，當連梁的跨高比較小(<5)時，破壞時容易出現剪切斜裂縫，如果部分連梁剪切破壞或全部剪切破壞，則墻肢間的約束將削弱或全部消失，聯肢剪力墻蛻化成多個獨立墻肢。結構的剛度會大大降低，承載力也隨之降低，并最終可能導致結構的倒塌。彎曲破壞是一種延性破壞，當連梁的跨高比較大(≥5)時，破壞時梁端會出現垂直裂縫，地震作用時會出現交叉裂縫，在結構受到往復的地震力作用時，耗能能力較強的連梁可以通過自身的逐步破壞，消耗較大的地震能量，縱向鋼筋屈服，砼被壓碎從而形成塑性鉸，塑性鉸能夠傳遞彎矩和剪力繼續起到約束墻肢的作用，逐步降低結構的抗側剛度，減小結構地震反應，確保其他更重要的豎向承載構件的安全。跨高比較大的連梁在地震作用下，其塑性鉸的發展更加充分，轉動能力也更強。在同等條件下，跨高比較大的連梁具有更好的耗能能力。

2 連梁的設計計算

剪力墻中的連梁受彎矩、剪力、軸力共同作用。由于軸力較小通常忽略，按普通受彎構件的抗彎承載力公式進行計算。地震工況連梁的斜截面受剪承載力應符合：

a.跨高比大于2.5的連梁

(1-1)

b.跨高比不大于2.5的連梁

(1-2)

連梁通常根據小震彈性，中震屈服的原則按“強墻弱梁” “強剪弱彎”進行設計，使其作為抗震耗能的第一道防線。為避免墻肢不過早的出現脆性的剪切破壞，應設計延性的墻肢和延性的連梁，使連梁屈服早于墻肢屈服。要使連梁具有延性，抗震設計中連梁的設計剪力應等于或大于構件彎曲時實際達到的剪力。

抗震規范在縱向受力鋼筋不超過計算配筋10%的前提下將承載力不等式轉為內力設計表達式。不同抗震等級采用不同的剪力增大系數，使“強剪弱彎”的程度有所差別。該系數同時考慮了材料實際強度和鋼筋實際面積這兩個因素的影響。梁端截面組合的剪力設計值應按下式確定。

a.一、二、三級剪力墻的連梁按下式調整。

(2-1)

b.9度時一級剪力墻的連梁按下式調整。

(2-2)

連梁按求得的設計剪力配置箍筋，抗震設計的連梁的箍筋加密布置可以起到約束砼，延緩砼剪壓擠碎的作用。當梁高較大時容易出現剪切斜裂縫，為防止斜裂縫出現后發生脆性破壞，在構造上應增加水平腰筋。

另一方面，根據試驗及相關資料，連梁的延性性能和截面的剪壓比有關。剪壓比越高，延性越小。為了不使斜裂縫過早出現，砼過早開裂，要控制連梁的截面尺寸及砼的強度等級。因此規范對小跨高比的連梁的截面平均剪應力及斜截面受剪承載力提出了要求。

地震工況連梁截面剪力設計應符合：

a.跨高比大于2.5的連梁

(3-1)

b.跨高比不大于2.5的連梁

(3-2)

3 連梁超限問題的處理方法

高層建筑在水平力作用下連梁的內力很大。連梁在抗震計算中會出現超筋現象，一般均是連梁截面不滿足剪壓比的限值。下面介紹幾種常用的方法供大家參考。

3.1 連梁剛度折減

根據高規5.2.1條規定，在重力荷載、風荷載作用效應計算時不宜考慮連梁剛度折減，在地震作用效應組合工況時，可按設防烈度對連梁剛度進行適當的折減。折減系數不宜小于0.5，以保證連梁承受豎向荷載的能力。對于跨高比較大(≥5) 、重力作用效應比水平風或水平地震作用效應更明顯的連梁，應慎重考慮剛度的折減問題，以控制正常使用階段裂縫的發生和發展。

3.2 連梁的彎矩可塑性調幅

若連梁彎曲裂縫對正常使用沒有很大的影響且超限連梁數量不是很多時，可以按概念設計方法對連梁承受的內力和配筋進行再調整，使調整后的連梁首先滿足截面剪壓比的條件，同時限制受彎鋼筋量使連梁的抗彎承載力維持在一定水平，滿足強剪弱彎的條件。一般情況下，調幅后的彎矩不小于調幅前按剛度不折減計算的彎矩的80%(6～7度)和50%(8～9度)，并不小于風荷載作用下的連梁彎矩。連梁調幅后的彎矩、剪力設計值不應低于使用狀況下的值，也不宜低于比設防烈度低一度的地震作用組合所得的彎矩、剪力設計值，其目的是避免在正常使用條件下或較小的地震作用下在連梁上出現裂縫。

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設計值應相應提高，對框架部分內力值也應相應提高。(已按第1點進行剛度折減的連梁，其彎矩值不宜再調幅，或限制再調幅范圍)

1)跨高比不大于2.5的連梁聯合1-2、3-2式可得

2)跨高比大于2.5的連梁，聯合1-1、3-1式可得

根據全國民用建筑工程設計技術措施結構(2009年版)附錄B為方便使用，箍筋配筋率ρsv可根據對應的砼強度、鋼筋級別直接查得。縱筋計算系數可根據對應的鋼筋規格直接查得。以上方法計算還需滿足最小配筋率的要求。

對截面和配筋設計主要由平時概況(風荷載)控制的連梁，不宜采用此方法調整，以避免正常使用中發生較大裂縫。另當超限的連梁較多時，也不宜采用上述方法。

3.3 調整連梁的剛度

可采用減小連梁截面高度、增加連梁的跨度及設置雙連梁來達到減小連梁剛度，減小地震力作用的影響，使連梁有可能不超限。也可采用增設剪力墻的扶壁柱，使連梁寬度相應增加，此時連梁受剪承載力加大，使連梁不超限。

3.4 連梁的鉸接處理

當連梁破壞對承受豎向荷載無明顯影響時，可將連梁兩端鉸接按獨立墻肢進行第二次多遇地震下的結構內力分析。假定連梁在大震下剪切破壞，不再能約束墻肢，這時剪力墻的內力和配筋會加大，墻肢截面按兩次計算的較大值配筋。第二道防線的計算沒有剪力墻的約束作用，結構位移會加大，按高規要求可不必按小震作用限制其位移。

3.5 連梁配置斜向交叉鋼筋

鋼筋混凝土結構設計規范第11.7.10條中規定，對于一、二級抗震等級的連梁，當跨高比不大于2.5時，可另配置斜向交叉鋼筋。新版本的PKPM增加了此功能，可按規范要求根據不同的截面寬度設置交叉斜筋和對角暗撐(計算結果如下圖)。此方法對解決寬度大于250mm的連梁的剪壓比超限問題是有效，如框架-核心筒結構的外框筒位置連梁的超筋。但因連梁配筋較多且密，需嚴格控制施工質量。

圖2 連梁配筋示意圖

4 工程實例

福州地區某32層剪力墻結構住宅，建筑總高度93.1m。地震烈度為7度,設計基本地震加速度0.10g,場地類別Ⅲ類，特征周期0.65,剪力墻抗震等級為二級。因建筑樓電梯設置及戶型采光通風等原因，造成建筑平面比較狹長且有較大的凹入和開洞，剪力墻的布置受建筑布局影響較大。調整前標準層平面及計算配筋如下圖：

圖3 調整前六層結構平面圖

圖中所示5處位置均為連梁超筋，設計計算中采用不同方法調整如下：

(1)編號①位置連梁僅在6～9層剪壓比超限，連梁能滿足正常使用下承載力要求，可以按方法2對連梁的彎矩可塑性調幅。根據全國民用建筑工程設計技術措施結構(2009年版)附錄B，先查得箍筋配筋率及縱筋計算系數后再根據截面大小進行連梁配筋。

(2)編號②位置連梁由于跨度小，地震力作用大，剪壓比超限。采用方法3，在門邊設置300寬壁柱，連梁寬度相應增加為300,使其受剪承載力加大，調整后連梁不超限。

(3)編號③位置連梁采用方法3，在總體計算指標滿足規范要求的前提下，調整兩側的剪力墻長度，增大連梁的跨度，減小連梁剛度及地震力作用使其不超限。

(4)編號④位置的1400高的梁，可采用方法3在梁中部設置水平縫形成500和800高的雙連梁(新版SATWE軟件增加了此功能)。雙連梁可各自獨立工作，按照各自的剛度分擔內力，獨立配筋滿足抗彎、抗剪承載力要求。水平縫采用聚苯板或非承重砌塊填塞，隔開上下梁。

(5)編號⑤位置，因建筑采光要求，造成平面有較大的凹入。采用方法4將連梁兩端鉸接，進行第二次多遇地震下的結構計算，由于凹口兩側的剪力墻間距較小，計算結果顯示結構周期及位移指標小幅度增大但仍滿足規范要求，施工圖設計時對此處的墻、梁均采用包絡配筋。下圖為調整后標準層平面及計算配筋：

圖4 調整后六層結構平面圖

5 結語

高層建筑中為避免墻肢不過早的出現脆性的剪切破壞，應設計延性的墻肢和延性的連梁，使連梁屈服早于墻肢屈服。連梁在抗震計算中會出現超筋現象，一般均是連梁截面不滿足剪壓比的限值。結構設計中應采用各種方法反復調整進行試算，達到延性設計和耗能性能的良好統一。

[1]GB 50010-2010,混凝土結構設計規范[S].

[2]GB50011-2010,建筑抗震設計規范[S].

[3]JGJ3-2010,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[4]全國民用建筑工程設計技術措施, 結構(混凝土結構).

Discussion on the design of connecting beams in high-rise building

LINXue

( Fujian Zhonghe Development Architectural Design Institute,Fuzhou 350004 )

This paper analyzes the mechanical performance and failure mechanism of connecting beams in high-rise buildings, introduces the calculation method for the structure design of connecting beams according to the "strong wall and weak beam"and"strong shear and weak bending", and proposes treatment method for transfinite problem of connecting beams.

Connecting Beams；Strong Shear and Weak Bending Capacity； Amplitude Modulation of Bending Moment Plasticity；Stiffness Adjustment

林雪(1972- )，女，高級工程師。

2015-06-19

TU3

A

1004-6135(2015)09-0049-04