淺談高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)中連梁的設(shè)計(jì)

楊愛(ài)雄

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越普遍，設(shè)計(jì)師在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中不可避免的會(huì)遇到剪力墻連梁超限的問(wèn)題。本文對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中連梁的受力特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)分析及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行闡述，便于同行在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)及筒體結(jié)構(gòu)的連梁時(shí)能夠有的放矢，做到經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。

關(guān)鍵詞：剪力墻連梁；剪力墻；結(jié)構(gòu)

1 剪力墻連梁

連梁是指在剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中 ，連接墻肢與墻肢 ，連梁是指兩端與剪力墻在平面內(nèi)相連的梁。連梁一般具有跨度小、截面大 ，與連梁相連的墻體剛度又很大等特點(diǎn)。一般在風(fēng)荷載和地震荷載的作用下 ，連梁的內(nèi)力往往很大。在內(nèi)力計(jì)算中一般對(duì)連梁進(jìn)行剛度折減，但是進(jìn)行位移計(jì)算時(shí)一般不做折減。

2 剪力墻連梁的受力特點(diǎn)

高層建筑中，由于連梁兩端墻肢的不均勻壓縮，會(huì)引起連梁兩端的豎向位移差，連梁這也將在連梁內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)力。在設(shè)計(jì)時(shí)，即使采取降低連梁內(nèi)力的各種措施，如 ：增大剪力墻的洞口寬度 ；在連梁中部開(kāi)水平縫；在計(jì)算內(nèi)力和位移時(shí)對(duì)連梁剛度進(jìn)行折減 ；對(duì)局部?jī)?nèi)力過(guò)大層的連梁進(jìn)行調(diào)整等，仍難使連梁的設(shè)計(jì)符合要求。

在風(fēng)荷載和地震荷載作用下，墻肢產(chǎn)生彎曲變形，使連梁產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，從而使連梁產(chǎn)生內(nèi)力。同時(shí)連梁端部的彎矩、剪力和軸力又反過(guò)來(lái)減少了墻肢的內(nèi)力和變形，對(duì)墻肢起到了一定的約束作用，改善了墻肢的受力狀態(tài)。高層建筑剪力墻中的連梁在水平荷載作用下的破壞可分兩種，即脆性破壞（剪切破壞 ）和延性破壞（彎曲破壞 ）。連梁在發(fā)生脆性破壞時(shí)就喪失了承載力，在沿墻全高所有連梁均發(fā)生剪切破壞時(shí)，各墻肢喪失了連梁對(duì)它的約束作用，將成為單片的獨(dú)立墻。這會(huì)使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大降低，變形加大，墻肢彎矩加大，并且進(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 ），并最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌。連梁在發(fā)生延性破壞時(shí)，梁端會(huì)出現(xiàn)垂直裂縫，受拉區(qū)會(huì)出現(xiàn)微裂縫，在地震作用下會(huì)出現(xiàn)交叉裂縫，并形成塑性絞，結(jié)構(gòu)剛度降低，變形加大，從而吸收大量的地震能量，同時(shí)通過(guò)塑性鉸仍能繼續(xù)傳遞彎矩和剪力，對(duì)墻肢起到一定的約束作用，使剪力墻保持足夠的剛度和強(qiáng)度。在這一過(guò)程中，連梁起到了一種耗能的作用，對(duì)減少墻肢內(nèi)力，延緩墻肢屈服有著重要的作用。但在地震反復(fù)作用下，連梁的裂縫會(huì)不斷發(fā)展、加寬，直到混凝土受壓破壞。

3 剪力墻連梁的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)

在墻肢和連梁連梁的協(xié)同工作中，剪力墻應(yīng)該具有足夠的剛度和強(qiáng)度。在正常的使用荷載和風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)該處于彈性工作狀態(tài)，連梁不應(yīng)該產(chǎn)生塑性鉸。在地震作用下，結(jié)構(gòu)允許進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，連梁可以產(chǎn)生塑性鉸。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范總則的要求，建筑物在遭受低于該地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，一般不損壞或不需修復(fù)仍可使用，當(dāng)遭受高于該地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。因此，剪力墻的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證不發(fā)生剪切破壞，也就是要求墻肢和連梁的設(shè)計(jì)符合強(qiáng)剪弱彎的原則，同時(shí)要求連梁的屈服要早于墻肢的屈服，而且要求墻肢和連梁具有良好的延性。

因此在實(shí)際工程中要使連梁設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)剪弱彎的原則就必須考慮以下幾個(gè)方面 ：

連梁剛度的折減。連梁由于跨高比小，與之相連的墻肢剛度大等原因，在水平力作用下的內(nèi)力往往很大，連梁屈服時(shí)表現(xiàn)為梁端出現(xiàn)裂縫，剛度減弱，內(nèi)力重分布。因此在開(kāi)始進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，就需對(duì)連梁剛度進(jìn)行折減。根據(jù)《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》第 4 1 7條規(guī)定 ：“在內(nèi)力與位移計(jì)算中，所有構(gòu)件均可采用彈性剛度，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁的剛度可予以折減，折減系數(shù)不應(yīng)小于 0.50。”一般在實(shí)際設(shè)計(jì)中我們?cè)?0.50～1之間取值，以符合截面設(shè)計(jì)的要求。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010的5.2.1條文說(shuō)明指出對(duì)于重力荷載、風(fēng)荷載作用效應(yīng)計(jì)算不宜考慮連梁剛度折減；對(duì)有地震作用效應(yīng)組合工況，均可考慮連梁剛度折減。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010的6.2.13條文說(shuō)明2指出計(jì)算位移時(shí)，連梁剛度可不折減。

加連梁跨度減少高度。在連梁設(shè)計(jì)中，剛度折減后，仍可能發(fā)生連梁正截面受彎承載力或斜截面受剪承載力不夠的情況，這時(shí)可以增加洞口的寬度，以減少連梁剛度。減少了結(jié)構(gòu)的整體剛度，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。如果只是部分連梁超筋或超限，則可采取調(diào)整連梁內(nèi)力來(lái)解決。調(diào)整的幅度不宜大于20%，且連梁必須滿足“強(qiáng)剪弱彎”的要求。

增加剪力墻厚度。亦即增加連梁的截面寬度，其結(jié)果一方面由于結(jié)構(gòu)整體剛度加大，地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力增加，另一方面連梁的受剪承載力與寬度的增加成正比。由于該片墻厚增加以后，地震所產(chǎn)生的內(nèi)力并不按墻厚增加的比例分配給該片剪力墻，而是小于這個(gè)比例，因此有可能使連梁的受剪承載力不超限。

提高混凝土等級(jí)。混凝土等級(jí)提高后，結(jié)構(gòu)的地震作用影響增加的比例遠(yuǎn)小于混凝土受剪承載力提高的比例，有可能使連梁的受剪承載力不超限。

考慮地震作用的高層建筑剪力墻連梁，在進(jìn)行了上述調(diào)整后，仍有部分不符合承載力要求時(shí)，可取連梁截面的最大剪壓比限值確定剪力。然后按“強(qiáng)剪弱彎”的要求，配置相應(yīng)的縱向鋼筋。此時(shí)，如果不能保證連梁在大震時(shí)的延性要求，應(yīng)重新計(jì)算整個(gè)結(jié)構(gòu)，必要時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，使連梁的承載力符合要求。

上述各種措施中，在能滿足整體剛度的情況下，可先采用剛度折減，如仍超限可采用其余各種措施。

4 總結(jié)

高層建筑剪力墻連梁的設(shè)計(jì)受很多因素的制約。與連梁的內(nèi)力和剪力墻的多少、每片剪力墻的水平力大小、連梁的剛度、與之相連的墻肢剛度等都有關(guān)。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要把互相制約的因素統(tǒng)一協(xié)調(diào)，才能取得比較理想的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

{1}《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50010-2010（2015年版）

{2}《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50011-2010（2016年版）

{3}《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 GB50010-2010