連梁優化設計方案研究

張飛燕

摘要： 連梁在剪力墻結構或核心筒結構中通常被設計成抵抗地震的第一道防線，因此在工程中應避免將連梁設計成脆性破壞。然而在實際工程中，由于需要滿足建筑結構的功能需求，常常將連梁設計成小跨高比連梁，小跨高比連梁的抗剪承載力低，在強震中容易發生剪切破壞，本文將就小跨高比連梁的抗震性能的優化方案進行討論，為設計及研究人員提供參考。

Abstract： Coupling beams are always designed as the first line of defense against earthquake in shear wall structure or core tube structure. Therefore， the coupling beams should not be designed to the brittle failure in engineering. However， in practical engineering， because of the need to meet the functional requirements of building structure， coupling beams often designed to small span-to-depth ratio. The small span-to-depth ratio coupling beams have low bearing capacity of shear， they are easy to be shear damaged in strong earthquake. This paper will discuss the aseismic performance optimization scheme of small span-to-depth ratio coupling beam， and provide reference for the designer and researcher.

關鍵詞： 跨高比；連梁；抗震；優化設計

Key words： span-to-depth ratio；coupling beam；anti-seismic；optimal design

中圖分類號：TU973 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0173-04

0 引言

隨著國內外經濟及城市化的快速發展，建筑結構的高度及難度不斷增大，普通的框架結構已經難以滿足要求，需要高效的建筑材料及高性能的結構形式，具有優秀抗側剛度、較好的抗震性能的剪力墻結構、框-剪結構以及核心筒結構成為超高層建筑結構中的主流。核心筒結構、剪力墻結構由于建筑功能需求不可避免需要開洞口，需要通過連梁將相鄰的兩墻肢連系起來。由于建筑結構的功能需求，實際工程中，連梁通常被設計成小跨高比形式，跨高比過小（跨高比小于2.5[1]）的情況下容易在地震中發生剪切破壞，屬于脆性破壞。然而，在實際工程中，往往將剪力墻結構或者核心筒結構中的連梁設計為抗震的第一道防線，因而，為滿足建筑及結構的需求，國內外學者提出了各式各樣的小跨高比連梁的優化設計，本文將就幾種不同的小跨高比連梁抗震性能優化進行闡述。

1 連梁的破壞形式

在地震發生時，連梁主要受垂直于梁方向的豎向荷載作用，主要有脆性破壞（剪切破壞）和延性破壞（彎曲破壞）兩種形式。對于脆性破壞的連梁，其抗剪承載力較差，在強震下容易瞬間喪失承載力，導致破壞的連梁兩端的墻肢失去約束，成為獨立的墻肢，則使整體結構的抗側剛度降低，變形加大。對于延性破壞的連梁，其抗剪承載力高，在強震下會形成交叉的裂縫，但不至于瞬間破壞，連梁會在地震反復過程中吸收大量能量的同時對墻肢起到約束作用，使剪力墻結構在震中仍能保持足夠的強度和剛度，從而保證整體結構的抗側剛度。

連梁在抗震設計中被設計成第一道防線，在地震發生時，期望其能夠發生延性破壞并且能夠耗散地震能量，起到保護其他更重要構件的目的。因此，在工程設計中需將連梁設計成延性的彎曲破壞。

2 連梁優化主流方案

對于小跨高比連梁，其容易發生脆性剪切破壞，在工程中，不允許連梁的剛度過大，且連梁作為結構抗震設防的第一道防線，在設計中需做到“弱連梁”，即保證連梁先與剪力墻或框架柱先破壞。在實際工程設計中，常常遇到連梁超限的情況，需對連梁抗震性能進行優化。

2.1 連梁尺寸

在連梁超限時，工程設計人員首先對連梁的尺寸進行優化，這也是最有效果的。由梁的截面剛度EI=bh3/12可知，連梁截面高度對連梁的截面剛度影響較大，故設計人員通常通過減小連梁截面高度、增大截面寬度的方法來減小連梁的剛度。此外，增大連梁的跨度來增大連梁的跨高比也可以達到避免連梁發生剪切破壞的目的。但改變連梁的截面尺寸及跨度需配合整體建筑、結構的功能來設計。

2.2 剛度折減

由于連梁在剪力墻結構或核心筒結構中受力和變形非常集中，在結構設計中通過對連梁的剛度進行折減，考慮連梁較早進入塑性狀態后剛度退化的影響，從而達到“弱連梁”的效果，使其在地震發生充分耗散地震能量而保護剪力墻構件?！陡咭帯分凶龀觯骸霸趦攘εc位移計算中，抗震設計的框架-剪力墻或剪力墻結構中的連梁剛度可予折減，折減系數不宜小于0.5”[34]的規定。范重[35]通過建立精細的連梁彈塑性模型，研究了連梁在地震中剛度退化與結構耗能的情況，認為可以根據連梁的彈塑性響應來確定連梁的等效剛度折減系數。

2.3 配筋方案

在小跨高比連梁中，傳統的縱筋及豎向的箍筋對抗剪承載力及抗震性能的作用很小，甚至在剪切破壞處若無箍筋覆蓋，箍筋將起不到抗剪作用?；诖耍瑖鈱W者Paulay[7]提出了一種將鋼筋斜對角安置，形成一種帶有斜對角暗柱的連梁如圖1，該方法能夠有效利用斜鋼筋的抗拉性能，有效提高小跨高比連梁的抗震性能。其他學者[8]也在此基礎上做了相關試驗研究，結果均表明，采用該優化方法的小跨高比連梁具有較好的延性和抗震耗能能力。目前，我們規范中提出了當連梁截面寬度大于400mm時，可采用該配筋方法[1]。

盡管通過安置斜對角配筋暗柱能夠有效提高連梁的抗震性能，但在實際工程中，若連梁的截面寬度較小時，該方法施工難度較大，因此一些學者[9-13]將該方法進行了改進及簡化，即通過直接安置交叉斜鋼筋的方式，如圖2，該方法施工簡單且同樣能夠有效提高連梁的抗震性能。其中梁興文等[6]將材料優化與配筋方案優化相結合，結果表明，兩種方法結合對連梁抗震性能的提高非常大。目前規范[1]中給出了對于一、二級抗震等級的連梁，當跨高比小于2.5且連梁截面寬度大于250mm時可以采用交叉斜筋的配筋方案的建議。

此外，在之前的研究基礎上，國內外學者根據斜鋼筋提供拉、壓力的原理提出了不同的配筋方案如菱形配筋[14-16]、復合斜配筋等形式，如圖3、4，這些方法均能夠有效提高連梁的抗震性能，并且施工方便，能夠應用于實際工程中，但這些方法還未列入相關規范中，故還未在實際工程中廣泛應用。

2.4 連梁開縫

由于結構的功能需求往往將連梁跨度設置較小，從而形成小跨高比連梁，跨高比過小將導致連梁在地震中發生脆性破壞。若能夠減小連梁的截面高度，即可增大跨高比，從而改善連梁的抗震延性。

清華大學李國威、李文明[25]基于這種思路，最早提出了在連梁截面高度的一半位置設置一道水平縫，將連梁分成兩部分，從而使連梁的跨高比增大一倍，該連梁形式被稱為雙連梁，如圖5。隨后，不同學者如李奎明[26]、谷倩[27]、胥玉祥[28]等通過試驗及有限元模擬方法研究了雙連梁的抗剪承載力及抗震性能，結果表明，采用雙連梁的截面形式，能夠大大增強連梁的抗震延性。基于雙連梁，一些學者還提出了多連梁形式[29][30]，并提出了相應的計算方法，多連梁結構形式如圖6。在連梁截面高度較大時可采用多連梁形式。陳云濤[31]建議將雙連梁的等效高度取值為0.5～0.8倍的單連梁高度，焦柯[32]則建議在設計中對連梁的抗彎剛度進行折減，其中雙連梁折減系數為0.4375，三連梁為0.3333。我國規范《建筑抗震設計規范》[33]中將雙連梁及多連梁的相關規定列入其中。

采用雙連梁或多連梁，能夠有效降低連梁的內力，提高連梁的抗震延性，同時，合理地設置縫寬，可以方便管線的穿插布置。同時，雙連梁或多連梁施工簡單，造價相對于改變連梁結構形式低，因此在實際工程中得到廣泛應用。

3 連梁優化新方案研究

隨著超高層建筑的難度越來越大，目前主流的連梁設計方案難以迎合未來的結構需求，因此，國內外學者針對連梁抗震性能新方案進行了各式各樣的研究。

3.1 材料性能優化

在工程設計中，設計人員在混凝土材料方面往往通過提高其強度等級來提高小跨高比連梁的抗剪承載力，從而使其避免發生剪切破壞，但這種效果往往不佳。由于混凝土屬于脆性材料，其抗拉性能與抗震性能較差，在提高混凝土強度等級時，其抗剪強度并未有大的改善，因此有些學者考慮提高材料性能以達到優化連梁抗震性能的目的。楊忠，葉獻國等[2][3]使用超高韌性水泥基復合材料（UHTTC）替代普通混凝土材料完成了3個小跨高比連梁的低周反復加載試驗，并與普通混凝土連梁進行對比，結果表明，由于摻入纖維使得混凝土材料的韌性提高，連梁從脆性破壞轉變為延性破壞，使用UHTTC的連梁其滯回曲線更加飽滿，其剛度退化較為明顯，該方法能夠改善小跨高比連梁的抗震性能。

張宏戰[4]、葉燕霞[5]、梁興文[6]均完成了通過在混凝土中摻入不同種類纖維以及纖維含量來改善小跨高比連梁的抗震性能的相關研究，研究結果均表明通過改善混凝土材料的延性能夠提高小跨高比連梁的抗震性能及抗剪承載力，但單純通過改善混凝土材料方面來提高小跨高比連梁抗震性能的作用有限，還需配合其他方法進行優化。

3.2 構件形式方案優化

混凝土抗拉強度差且延性較差，在超高層建筑中，采用鋼筋混凝土連梁可能無法滿足結構抗震要求。鋼材具有較高的抗拉性能及優越的延性性能，因此型鋼連梁和不同形式的鋼-混凝土組合連梁能夠用來替代鋼筋混凝土連梁，這種形式的構件不僅在地震時能夠消耗大量的能量，且在震后能夠快速修復。

3.2.1 內嵌鋼板連梁

由于鋼材具有優良的延性及拉壓承載力，將鋼筋混凝土結構與鋼材結合能夠改善小跨高比連梁抗震性能差的缺點，類似于在混凝土梁中安置型鋼，可在連梁中安置鋼板，形成內置鋼板的連梁。同時，將連梁包裹在混凝土中，能夠避免鋼板因高溫造成的軟化問題，且能夠有效解決鋼板的平面外失穩問題。

國外學者Subedi[17]最早提出了內置鋼板連梁的結構形式，Subedi在其文獻中闡述了考慮不同鋼板厚度、混凝土強度、剪跨比等參數下的內嵌鋼板連梁的抗震性能，研究結果表明，內置鋼板能夠顯著提高連梁的抗剪承載力及抗震性能，但由于鋼板與混凝土間的粘結性能較差，鋼板與混凝土之間會發生滑移現象。

為解決鋼板與連梁間的滑移問題，可采用在鋼板兩側焊接栓釘的做法，如圖7。Cheng[18]、張剛[19]、侯煒[20]、史慶軒[21]等即在其研究中采用了此方法，研究結果均表明，在內置鋼板兩側設置栓釘能夠有效減小鋼板與混凝土之間的滑移，進而提高內嵌鋼板混凝土連梁的抗震性能。但由于設置了栓釘，在實際工程中，該方法會增加箍筋安裝的難度。

3.2.2 外包鋼板混凝土連梁

同樣是利用鋼板及混凝土各自的優點，類似于鋼管混凝土柱，在連梁外包裹一層鋼板，以提高小跨高比連梁的抗震性能。該方法最早由香港理工大學的Teng[22]提出，Teng完成了不同混凝土強度和不同鋼管強度下的連梁的抗震性能試驗，結果表明，外包鋼板混凝土連梁的耗能性能優良。隨后聶建國，胡紅松[23][24]進行了類似的研究，并研究了外包鋼管連梁與鋼板剪力墻的連接方法。采用外包鋼管的優化方法具有較好的效果，但會有施工澆筑困難的情況。

3.2.3 鋼連梁

采用純型鋼連梁也可作為一種優化小跨高比連梁抗震性能的方法。鋼連梁具有優良的變形、耗能性能，由于型剛一般是在工廠預制，故能夠快速施工安裝，且其在震后能夠快速更換。但純型鋼會出現失穩情況，在設計中需加強鋼連梁的整體穩定及局部穩定。由于采用純鋼連梁價格較高，在一般工程中一般不會采用。

4 結論

本文針對目前主流的連梁優化設計方案及新的優化研究進行了簡要探討，主要有以下結論：

①在連梁優化設計中首先考慮改變其尺寸；②若尺寸無法繼續調整則可通過連梁剛度折減系數進行整體結構設計；③通過改變配筋方案進行優化，其中，設置交叉斜筋最為簡單高效；④連梁開縫能夠有效提高連梁的抗剪強度及其延性，且施工簡單；⑤采用鋼-混組合連梁能夠有效提高連梁的抗震性能，但仍需改善其施工便捷性以推廣使用。

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