高層建筑中有關(guān)連梁的問題討論與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王 剛

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

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高層建筑中有關(guān)連梁的問題討論與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王 剛

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

通過分析連梁的工作機(jī)理和破壞方式，了解了其性能特點(diǎn)，根據(jù)“強(qiáng)肢弱梁”“強(qiáng)剪弱彎”的原則，探討了連梁的設(shè)計(jì)方法，并針對(duì)高層建筑連梁設(shè)計(jì)中常見的難點(diǎn)提出了處理建議，為連梁這一剪力墻體系中重要耗能構(gòu)件的研究提供了依據(jù)。

連梁，剪力墻，剛度，延性

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人口以及各種資源在城市快速聚集，城市人口密度越來越大，地價(jià)不斷飛漲，而新建樓盤大多選擇以較小的土地面積獲取最多的建筑面積，這導(dǎo)致高層建筑成為城市發(fā)展的必然產(chǎn)物。走在城市中，我們時(shí)常可以看到新建的高層寫字樓、高層住宅，其中絕大部分采用了剪力墻、框架—剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)體系，這些結(jié)構(gòu)體系中大范圍的剪力墻上都布置有許多的連梁，那么連梁有什么重要作用；為什么在設(shè)計(jì)中總是會(huì)出現(xiàn)連梁超筋的問題；遇到連梁超筋該怎樣處理；連梁設(shè)計(jì)又該注意哪些問題。這些就是我們今天需要討論的內(nèi)容。

1 連梁的定義及工作機(jī)理

連梁是指在包含剪力墻的結(jié)構(gòu)體系中兩端與剪力墻在平面內(nèi)相連的梁(《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第7.1.3條的條文說明)。換成普通的說法：連梁是兩片墻中間有洞口或斷開，但受力要求又要連在一起而增加的受力構(gòu)件。在連梁上下一般設(shè)置有洞口，比如門窗洞口、較長(zhǎng)墻肢因受力需要設(shè)置的結(jié)構(gòu)洞等。

對(duì)于聯(lián)肢剪力墻而言，墻肢的延性、剛度、承載力等與相接的連梁有很大的關(guān)系。作為結(jié)構(gòu)體系中抗震設(shè)防的重要構(gòu)件，連梁的跨高比小，其所受的豎向荷載成為了次要受力類型，而像風(fēng)荷載和地震荷載作用下對(duì)墻肢產(chǎn)生的水平力則成為了主要因素，受力后墻肢的彎曲變形導(dǎo)致與墻肢相接的連梁兩端承受反向彎曲作用，相應(yīng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角變形和內(nèi)力，而連梁端部的彎矩、剪力和軸力又反作用于墻肢，對(duì)墻肢起到了約束作用，改善了墻肢的受力狀態(tài)，減小了內(nèi)力和變形，連梁和墻肢就是這樣相互作用，相互聯(lián)系的。

高層建筑剪力墻體系中，在水平荷載作用下連梁的破壞分為脆性破壞(剪切破壞)和延性破壞(彎曲破壞)。連梁的脆性破壞：連梁的剪力通過梁的受壓區(qū)傳遞至與其相連的墻肢，連梁受壓區(qū)在地震作用下產(chǎn)生彎曲裂縫后抗剪能力已大幅下降，當(dāng)連梁因延性不足，在未達(dá)到極限抗彎承載力時(shí)就因剪切破壞而喪失了承載力。若各樓層所有連梁均因剪切破壞而退出工作，各墻肢也會(huì)因?yàn)閱适Я诉B梁的約束而成為單片懸臂墻，此時(shí)墻肢彎矩增大，側(cè)向剛度降低，不斷加大的位移進(jìn)一步增加P—Δ效應(yīng)(豎向荷載由于水平位移而產(chǎn)生的附加彎矩)，這對(duì)結(jié)構(gòu)是十分不利的，會(huì)最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失效力。連梁的延性破壞：連梁在彎矩作用下，受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫，隨著荷載增加梁產(chǎn)生應(yīng)力重分布，當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力時(shí)，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，產(chǎn)生彎曲破壞。需要說明的是，這種彎曲破壞形式中雖然連梁先于墻肢屈服，但因其具有足夠的延性，梁端可形成塑性鉸，塑性鉸既能消耗大量的地震能量，又能繼續(xù)傳遞剪力和彎矩，對(duì)墻肢依然具有約束作用，保證了剪力墻具有足夠的剛度和承載力。在這一過程中，連梁具有消耗地震能量，減少墻肢內(nèi)力，延緩墻肢屈服的重要作用。

2 連梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一般連梁的高度大，連接的墻肢剛度也大，對(duì)剪切受力十分敏感，其設(shè)計(jì)具有一定的特殊性：小震和受風(fēng)荷載作用的正常使用狀態(tài)下，連梁具有約束墻肢、提高墻體剛度的作用；中震時(shí)它是聯(lián)肢墻的第一道防線，應(yīng)先于墻肢出現(xiàn)彎曲屈服，利用塑性鉸和自身有限的破壞吸收地震能量；大震時(shí)允許其出現(xiàn)剪切破壞。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.4.5條條文說明已明確指出開洞的聯(lián)肢墻，應(yīng)當(dāng)以連梁首先屈服，然后墻肢的底部鋼筋屈服、形成塑性鉸的順序?yàn)閺?qiáng)震作用下的合理破壞過程。在設(shè)計(jì)前我們應(yīng)先了解它的這些性能和特點(diǎn)，從概念設(shè)計(jì)為先，盡力做到“強(qiáng)肢弱梁”“強(qiáng)剪弱彎”，即彈性區(qū)要強(qiáng)、塑性區(qū)要弱，墻肢要強(qiáng)、連梁要弱，抗剪強(qiáng)度要強(qiáng)、抗彎強(qiáng)度要弱。

通常連梁根據(jù)跨高比分為兩類：1)跨高比小于5的連梁；2)跨高比不小于5的連梁。

先說第二類跨高比不小于5的連梁，其受力狀態(tài)與一般框架梁相似，可直接按框架梁的要求設(shè)計(jì)并配置鋼筋。

第一類跨高比小于5的連梁，其豎向荷載引起的彎矩很小，對(duì)配筋不起控制作用，而水平荷載作用下，剪力很大，易出現(xiàn)剪切斜裂縫，對(duì)于跨高比不大于2.5的連梁，剪切作用更為顯著。對(duì)于這類連梁，其受剪截面控制條件、斜截面受剪承載力、配筋構(gòu)造的要求均需滿足規(guī)范對(duì)于連梁的特殊規(guī)定，詳見《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中7.2.21～7.2.28條，條文內(nèi)容不在此列出，需要特別注意以下幾點(diǎn)：

1)一端與剪力墻相連、另一端與框架柱相連的跨高比小于5的梁(包括框剪結(jié)構(gòu)中框架梁)應(yīng)按連梁計(jì)算。

2)樓面主梁不宜支撐于連梁。因?yàn)檫B梁剛度較弱，對(duì)支撐于其上的主梁難以有效約束，自身抗扭剛度難以抵抗平面外彎矩；且連梁作為耗能構(gòu)件，在強(qiáng)震下會(huì)首先破壞，將導(dǎo)致支撐的主梁也相應(yīng)失效。如若實(shí)在難以避免，應(yīng)將主梁端部與連梁相接處設(shè)為鉸接，加大連梁的配筋及構(gòu)造措施。

3)一般在風(fēng)荷載和地震作用下，連梁的內(nèi)力往往很大。在運(yùn)用程序進(jìn)行構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算時(shí)需對(duì)連梁進(jìn)行剛度折減，但是在整體位移計(jì)算時(shí)一般不做折減，針對(duì)計(jì)算指標(biāo)不同，可能需要二次計(jì)算。

4)連梁超筋超限。在結(jié)構(gòu)程序計(jì)算中總會(huì)出現(xiàn)連梁超筋顯紅的結(jié)果，特別是在高抗震烈度區(qū)尤為突出，這與連梁自身的工作機(jī)理有關(guān)，其實(shí)質(zhì)還是所受剪力較大，超過抗剪承載力，不滿足剪壓比要求。連梁的易超筋部位是有一定規(guī)律的，豎向位于總高度中間1/3的樓層、平面位于長(zhǎng)墻肢的中部或墻肢長(zhǎng)度相差懸殊的部位容易出現(xiàn)連梁超筋。超筋可以采用如下方法處理：a.減小連梁截面高度，實(shí)質(zhì)是減小其抗彎剛度，使水平荷載作用下承擔(dān)的彎矩和剪力降低，即將受力減小或是將破壞形態(tài)從剪切破壞變?yōu)閺澢茐模捎秒p連梁、多連梁的布置(《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.4.7條)原理也是如此。但由于截面減小的同時(shí)也降低了連梁自身的抗剪承載力，有時(shí)反而使結(jié)果更為不利，此種情況可以在不影響使用功能的基礎(chǔ)上加大梁寬。b.對(duì)連梁剛度進(jìn)行塑性調(diào)幅。調(diào)幅分為內(nèi)力計(jì)算前調(diào)幅和內(nèi)力計(jì)算后調(diào)幅。若內(nèi)力計(jì)算前已降低了連梁剛度，其彎矩值就不宜再調(diào)幅。框架—剪力墻、純剪結(jié)構(gòu)的連梁剛度調(diào)幅后的彎矩不小于調(diào)幅前的0.8倍(6度～7度)和0.5倍(8度～9度)，因風(fēng)載經(jīng)常作用，計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)不應(yīng)折減，以使梁保持彈性狀態(tài)不出現(xiàn)塑性鉸。折減后其余部位的連梁和墻肢應(yīng)相應(yīng)提高彎矩設(shè)計(jì)值。此時(shí)對(duì)于框架—剪力墻中兩端分別與柱和墻連接的連梁以及跨高比大于5的連梁建議不要?jiǎng)偠日蹨p，因?yàn)檫@部分梁以重力效應(yīng)為主要控制因素。c.按獨(dú)立墻肢進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。當(dāng)連梁遭受破壞后，豎向荷載仍可以繼續(xù)通過其他路徑傳遞時(shí)，我們可以在大震作用下認(rèn)為連梁退出工作，剪力墻成為獨(dú)立墻肢，在這種條件下再次進(jìn)行多遇地震的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，墻肢按前后兩次(即考慮連梁作用和不考慮連梁作用)計(jì)算內(nèi)力的大值進(jìn)行配筋。此種方法是假定連梁在大震時(shí)遭到破壞不能提供對(duì)墻肢的約束而單獨(dú)依靠墻肢自身工作，具體操作時(shí)可將連梁支座設(shè)為鉸接，此時(shí)剪力墻成為抗震第二道防線，其剛度降低，所以在第二次獨(dú)立墻肢計(jì)算時(shí)可以不對(duì)側(cè)移限制，但墻肢內(nèi)力和配筋會(huì)加大以保證安全性。

5)改變連梁的配筋方式，即采用“集中對(duì)角斜筋”“交叉斜筋”“對(duì)角暗撐配筋”等方式，可以提高連梁的延性，同時(shí)不降低或有限度的折減連梁剛度(降低連梁相對(duì)作用剪力)。人為大幅度的折減連梁剛度以減少其所受到的地震剪力的做法，會(huì)導(dǎo)致連梁在地震作用下過早屈服，從而對(duì)延性的要求提高，且無法避免發(fā)生延性不足導(dǎo)致的剪切破壞，改變配筋方式可以很好的解決這一問題，其具體要求可參見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第11.7.9～11.7.11條。

3 結(jié)語

通過上述內(nèi)容的粗淺討論，我們可以對(duì)剪力墻中的連梁這一重要的抗震耗能構(gòu)件有了一定的認(rèn)識(shí)并掌握了大致的設(shè)計(jì)方法，但在具體設(shè)計(jì)計(jì)算的操作中，我們還是需要依靠自身的經(jīng)驗(yàn)對(duì)其不斷調(diào)整截面、配筋等，以讓連梁既能先于墻肢屈服成為很好的耗能構(gòu)件，又要具有很高的延性不至于發(fā)生脆性破壞而導(dǎo)致剪力墻肢失去約束。我們只有從實(shí)際工程的設(shè)計(jì)操作中不斷體會(huì)，積累經(jīng)驗(yàn)，提高水平才能使類似細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化，提升安全性。

[1] 李國(guó)勝.多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中疑難問題的處理及算例[M].第2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[2] 龔思禮.建筑抗震設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[3] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

The problems discussion and design key points of related coupling beams in high-rise building

Wang Gang

(ShanxiArchitecturalDesignResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

Through the analysis on the working mechanism and failure mode of coupling beams, this paper understood its characteristics, according to the “strong limb weak beam”“strong shear weak bending” principle, discussed the design method of coupling beams, and puts forward the suggestions according to the common difficulty in high-rise building coupling beams design, provided basis for important energy consumption components research in coupling beams shear wall system.

coupling beam, shear wall, stiffness, ductility

1009-6825(2016)32-0050-03

2016-09-06

王 剛(1983- )，男，工程師

TU323.3

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