淺談對高層建筑剪力墻連梁的認識

鄭輝濱

(福州市建筑設計院　福建福州　350011)

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淺談對高層建筑剪力墻連梁的認識

鄭輝濱

(福州市建筑設計院福建福州350011)

在剪力墻結構體系中，連梁作為抗震設防的第一道防線，對整體結構的安全起著重要的作用。文章主要從連梁的破壞機理、連梁設計和連梁配筋三個方面簡要談談對連梁“超限”的處理和對小跨高比連梁配筋的認識。

剪力墻連梁；抗震性能；超筋處理；配筋構造

0　引言

近二十年來，隨著國家經濟水平的高速發展，大量農村人口涌入城市和城市建設可用地的減少等原因，高層建筑在我國得到了快速發展。就結構設計來說，高層建筑的特點如下：(1)承受著較大的水平荷載，其往往是決定因素；(2)側向位移影響結構的安全，在設計時必須引起重視；(3)結構延性對結構在罕遇地震下的安全起著關鍵作用，是一個重要的設計指標[1]。

目前，針對不同的建筑高度和抗震設防烈度，高層建筑應用最為普遍的結構體系主要有：框架-剪力墻結構體系，框架-核心筒結構體系和剪力墻結構體系。這些體系有一個共同點，即均設置有剪力墻。剪力墻能夠有效抵抗風荷載和水平地震的作用，是整體結構抗震設防的一道重要防線；而連接著兩片剪力墻之間的連梁對剪力墻的受力特點，內力分布和變形形態等有著直接的影響。本文將簡要談談對高層建筑剪力墻連梁的認識。

1　連梁的受力特點和破壞機理

兩端與剪力墻在平面內相連且跨高比小于5的梁為連梁[2]。連梁主要承受水平荷載和豎向荷載。在水平荷載作用下，連梁的受力如圖1所示，梁端彎矩M=V×ln/2。在水平荷載作用下，剪力墻將產生彎曲變形，連接著剪力墻的連梁由于變形協調，將在梁端產生位移，從而使連梁產生內力；同時，連梁端部的作用力(剪力、彎矩等)反作用于剪力墻，影響著剪力墻的受力和變形。

在地震作用下，連梁的破壞可以分為脆性破壞和延性破壞。連梁脆性破壞時，將喪失對剪力墻的約束作用，使相連的兩片剪力墻成為獨立的墻肢。這時，結構的側向剛度降低，側向變形加大；在P-△效應作用下，剪力墻底部的彎矩將有明顯的增大，可能導致結構的倒塌。連梁延性破壞時，由于會在左右端部截面出現塑性鉸，梁的變形加大；在形成塑性鉸的過程中，由于塑性鉸處混凝土裂縫的延伸，連梁耗散了大量地震能量，同時使結構其他構件受到的地震作用效應減小，這對保證整體結構的延性起到了非同一般的作用。

2　連梁的設計

連梁的跨度不大，其剛度相對墻肢的剛度很小，在地震作用和風荷載作用下，其往往承受著不小的彎矩和剪力。由于連梁對剪切變形很敏感，其名義剪應力限制比較嚴，在很多情況下容易出現“超限”情況。對此，在設計中可以采取如下一些措施[2]：

(1)減小連梁截面高度或采取其他減小連梁剛度措施

在建筑物整體剛度滿足的情況下，可以盡量降低連梁的截面，但要保證連梁的截面不過小(h≥400mm)。截面高度過小時，該連梁容易成為弱連梁，容易導致兩側墻肢變形不協調。此外，可以增大其他榀框架或剪力墻的剛度，使該連梁在地震作用下分配的力減小。

(2)對連梁進行塑性調幅

可采用如下兩種方法對連梁進行塑性調幅：

①在內力計算前，直接將連梁剛度乘以相應的折減系數；折減系數可以采用0.5～0.7(設防烈度低時采用大值，設防烈度高時采用小值)。采用這種方法時，對連梁剛度進行折減一般用于抗震計算，抗風計算時連梁剛度一般不折減，確保連梁在“平時”使用時不開裂。

②在內力計算之后，將梁端的內力組合值乘以相應的折減系數；折減系數可以采用0.5～0.8(設防烈度低時采用大值，設防烈度高時采用小值)。對連梁進行調幅后，要保證調幅所得的彎矩值大于其在風荷載作用下的值。

(3)當連梁的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作用下的內力分析，墻肢截面按兩次計算的較大值計算配筋。

連梁不作為其他梁的支座或連梁承擔的豎向荷載較小時，可假設其在罕遇地震下完全喪失承載力，對剪力墻按獨立墻肢進行多遇地震下的補充計算；墻肢按兩次計算所得的較大內力進行配筋設計，以保證墻肢的安全。連梁則根據實際截面按最大配筋率設置縱向鋼筋，并根據實配縱筋面積反算所需的箍筋面積。在結構計算模型中，一般是將連梁模擬成梁端為塑性鉸的梁單元，使其能承擔一定的彎矩和剪力。

(4)設置雙連梁

雙連梁指在連梁中部以水平縫隔開的上下兩根連梁[3]。目前，水平縫的處理方式一般有2種：

①在上下梁之間預留50mm～100mm的縫，縫用聚苯乙烯硬泡沫塑料板填實；

②上下梁之間留較大的縫(300mm～700mm)，縫之間用砌體墻填充，填充墻區域可以有利于設備管線通行。

目前，在建立模型時，對雙連梁的計算通常采用簡單等效的方法。采用此方法計算時，由于連梁的抗彎承載力發生了變化，因此不能很好地模擬真實連梁的受力狀態，計算結果可信度較低。為了更真實地模擬實際狀態的連梁，在建立模型時，在同一標準層同一位置應該按梁頂標高的不同輸入兩根梁，并將梁上線荷載輸到上面一個梁上。

3　小跨高比連梁的配筋

在小跨高比連梁中，由于剪彎比很大，容易在剛開始加載不久就出現剪切破壞。為了使小跨高比連梁在罕遇地震時發揮出較高的延性和良好的耗能性能，可以采用以下一些配筋方法：

(1)沿對角線方向配置斜交叉鋼筋

在小跨高比連梁中配置斜向交叉鋼筋，其能夠有效抵抗梁端的剪力，通過與箍筋的共同工作，能夠使連梁的延性和耗能得到一定程度的提高。試驗表明[4]，在跨高比小于2.5時，配置對角斜筋的連梁表現出較好的抗震性能：剪壓比小等于2.0時，位移延性系數最大值能夠達到3.5以上。這種配筋方法對連梁的截面尺寸沒有特殊的要求，實際應用中比較方便。

(2)沿對角線方向配置交叉暗撐

在跨高比較小的連梁中增設交叉暗撐對提高連梁的抗震性能有較好的作用。試驗表明[5]，當跨高比為1.3時，配置交叉暗撐的連梁的位移延性系數能夠達到6.0，同時表現出較優秀的耗能能力。但這種配筋方法存在一些不足：①由于梁寬不宜小于400mm，使用上受到一些限制；②由于縱筋、箍筋的層數比較多，施工比較困難。

(3) 沿對角線方向配置斜交叉鋼筋和由相互倒置的L形筋組成的菱形斜筋

采用這種配筋方法時，除了斜向鋼筋能提高連梁的抗剪能力，L形筋還能減少混凝土的側向變形，推遲剪切破壞的發生，提高連梁的延性。試驗表明[6]，跨高比為1.0時，采用這種配筋方法的連梁的位移延性系數能夠達到5.0，同時表現出良好的耗能能力。

(4)沿連梁截面高度配置3層封閉箍筋

采用這種配筋方法時，可以利用3層箍筋在對角向形成的約束混凝土斜壓桿抵抗壓力，利用縱筋和箍筋形成的合力抵抗連梁內部的對角拉力。試驗表明[7]，采用此配筋方法的連梁的延性性能比普通配筋連梁好，抗震性能也較普通配筋連梁有較大的提高。

4　結語

為了保證連梁在罕遇地震時不發生脆性破壞，可以采取減小連梁剛度、對連梁進行塑性調幅、設置雙連梁等措施合理設計連梁。通過設置斜交叉筋、交叉暗撐、斜交叉筋和菱形斜筋、3層封閉箍筋等方法，可以避免小跨高比連梁過早發生剪切破壞。

[1]張彬彬.高層建筑剪力墻連系梁抗震性能的試驗研究[D].重慶：重慶大學，2001.

[2]JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程 [S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[3]朱丙寅.建筑抗震設計規范應用與分析[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[4]皮天祥.鋼筋混凝土剪力墻小跨高比連梁抗震性能試驗和設計方法研究[D]. 重慶：重慶大學，2008.

[5]T.Paulay,J.R.Binney.Diagonally reinforced coupling beams of shear walls[R].Shear in reinforced concrete, American Concrete Institute, Famington Hills,1974, 579-598.

[6]曹云鋒，張彬彬，趙杰林，等.改善洞口連梁抗震性能的一種有效配筋方案[J]. 重慶建筑大學學報，2003，24-30.

[7]劉清山.抗震剪力墻小跨高比連梁的理論分析及試驗研究[D]. 西安：西安建筑科技大學，2006.

Understanding of High-rise Building Coupling Beams

ZHENG Huibin

(Fuzhou Architectural Design Institute, Fuzhou 350011)

In shearwall structure system, the coupling beams play an important role in the safety of the whole structure as the first defense line. This article briefly talks about the processing of "over limit" coupling beams and the understanding of small aspect ratio coupling beams reinforcement from three aspects: the failure mechanism of coupling beams, the design of coupling beams and the reinforcement of coupling beams.

Shearwall coupling beam; Seismic performance; Super reinforced treatment; Reinforcement structure

鄭輝濱(1988.4-)，男，工程師。E-mail:390474562@qq.com

2016-08-05

TU973

A

1004-6135(2016)09-0053-03