關于剪力墻連梁設計中的若干問題分析

【摘要】連梁是剪力墻結構和框架-剪力墻結構抗震設計中的關鍵構件，連接墻肢與墻肢，它可以起到消耗地震能量的作用，此關鍵部位設計的合理與否直接影響到建筑物抗震性能的好壞。通過對剪力墻連梁抗震協同工作機理的分析，來指導如何在實際工作中正確處理連梁相關的一些問題。

【關鍵詞】剪力墻連梁；剛度折減；超配筋處理

1、連梁剛度折減及電算模擬

1.1 連梁的工作機理分析

在風和地震作用等水平荷載作用下，墻肢產生彎曲或剪切變形，使連梁相對墻肢產生轉角，從而使連梁產生內力。同時連梁端部的彎矩、剪力和軸力又反過來影響了墻肢的內力和變形，對墻肢起到了一定的約束作用，改善了墻肢的受力狀態。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 ）。連梁在發生脆性破壞時就喪失了承載力，各墻肢喪失了連梁對它的約束作用，將成為獨立墻肢。這會使結構的側向剛度大大降低，變形加大，并最終可能導致結構的倒塌。連梁在發生延性破壞時，梁端形成塑性絞，結構剛度降低，變形加大，從而消耗地震能量。此時連梁仍能繼續傳遞彎矩和剪力，對墻肢起到一定的約束作用，使剪力墻保持足夠的剛度和強度。在這一過程中，連梁起到了一種耗能的作用，對減少墻肢內力，延緩墻肢屈服有著重要的作用。

1.2連梁剛度折減系數取值

伴隨著連梁梁端產生塑性變形，結構剛度退化，變形加大，結構出現內力重分布，剪力墻墻肢內力加大，所以內力和位移計算中對連梁剛度應予折減。《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第5.2.1條文說明指出，在不影響承受豎向荷載能力的前提下，允許其適當開裂（降低剛度）而把內力轉移到墻體上。通常，設防烈度低時可少折減一些（6、7度時可取0.7），設防烈度高時可多折減一些（8、9度時可取0.5）。折減系數不宜小于0.5，以保證連梁承受豎向荷載的能力。對框架-剪力墻結構中一端與柱連接、一端與墻連接的梁以及剪力墻結構中的某些連梁，如果跨高比較大（比如大于5）、重力作用效應比水平風或水平地震作用效應更為明顯，此時應慎重考慮梁剛度的折減問題，必要時可不進行梁剛度折減，以控制正常使用階段梁裂縫的發生和發展。明確說僅在計算地震作用效應時可以對連梁剛度進行折減，對如重力荷載、風荷載作用效應計算不宜考慮連梁剛度折減。有地震作用效應組合工況，均可按考慮連梁剛度折減后計算的地震作用效應參與組合。《建筑抗震設計規范》GB50011-2010的6.2.13條文說明指出計算地震內力時，抗震墻連梁剛度可折減；計算位移時，連梁剛度可不折減。又參考廣東省標《高層建筑混凝土結構技術規程》DBJ15-92-2013（以下簡稱《高規》），高層建筑結構計算時，框架-剪力墻、剪力墻結構中的連梁剛度可予以折減，抗風設計控制時， 折減系數不宜小于0.8；抗震設計控制時，折減系數不宜小于0.5；作設防烈度（中震）構件承載力校核 時不宜小于0.3。實際工程依據相關規范規程以及結構整體計算指標靈活處理。

1.3電算程序中連梁模擬

連梁計算模型的不同，計算結果的差異較大。目前大家常用的結構分析軟件在建立空間整體分析模型時，對連梁按以下兩種情況模擬：

1）對連梁按梁元模擬（即桿元），連梁兩端與墻肢變形協調，連梁的抗彎剛度計算值要小于按墻元（剪力墻開洞形成的連梁）的計算結果。

2）對連梁按剪力墻開洞模擬，連梁實際是墻的一部分，連梁四角與墻肢協調。

關于用哪種形式對連梁進行模擬，規范及規程未做明確說明。僅廣東省標《高層建筑混凝土結構技術規程》DBJ15-92-2013第5.1.4條指出，當連梁的跨高比小于2時，宜用殼單元模擬（即墻元）。所以實際工作中建議按以下方式處理：

a）連梁跨高比≥5時，按梁元模擬；b）連梁跨高比≤2時，按墻元模擬；c）連梁跨高比大于2小于5時，可視具體情況靈活處理。但是設計時還是盡量控制連梁跨高比>2.5為宜，這樣連梁的抗剪承載力相對較高，較為經濟。（從《混規》11.7.9條、《高規》7.2.22～7.2.23條、《抗規》6.2.9條等均可得出結論）

2、連梁超筋處理

《高規》7.2.24及7.2.25條對連梁的最小及最大配筋率作了相應要求，且最大配筋率的要求較普通框架梁更為嚴格，所以在設計過程中一般較易出現超筋現象。對連梁的超筋超限應進行分析判斷并采取適當的處理方法，可按規范的要求進行如下處理：

1）連梁調幅處理

抗震設計剪力墻中連梁的彎矩和剪力可進行塑性調幅。《高規》5.2.3條指出，在豎向荷載作用下，可考慮框架梁塑性變形內力重分布對梁端負彎矩乘以調幅系數進行調幅。而對連梁則沒有限制其只能對豎向荷載下的內力調幅，可以是對連梁端彎矩組合值的調幅。但在結構整體計算中已對連梁進行了剛度折減時，其調幅范圍應限制或不再調幅。朱炳寅《建筑結構設計問答及分析》3.3.5條建議，經全部調幅（包括計算中連梁剛度折減和對計算結果的后期調幅）后的彎矩設計值不宜小于調幅前（完全彈性）的0.8倍（6、7度）和0.5倍（8、9度）。此調整方法考慮連梁端部的塑性內力重分布，對跨高比較大的連梁效果比較好，而對跨高比較小的連梁效果差。

2）減小連梁的截面

降低連梁的截面高度或采取其他減小連梁剛度的措施，從而達到減小連梁計算內力目的，同時加大剪力墻的地震效應值。

3）連梁的鉸接處理

此處理辦法是針對之前講的跨高比大于的2的且按梁元輸入的連梁。當連梁不作為次梁或主梁的支承梁時（《高規》7.1.5條，樓面梁不宜支承在剪力墻或核心筒的連梁上。），可假定該連梁在大震下的破壞（連梁按兩端鉸接梁計算），對剪力墻按獨立墻肢進行第二次多遇地震作用下的結構內力分析，墻肢應按兩次計算所得的較大內力進行配給設計，以保證墻肢的安全。

實用且簡便的對連梁超筋的處理方法，參考朱炳寅《建筑結構設計問答及分析》3.3.5條（第198頁），通過改變連梁計算截面高度，尋求與實際截面連梁的最大抗剪承載能力所對應的截面彎矩設計值，及與之相應的剪力墻內力及配筋。

結語：

連梁是剪力墻結構和框架-剪力墻結構抗震設計中的關鍵構件，相關問題也是錯綜復雜，設計時要把互相制約的因素統一協調，以取得比較理想的結果。正確處理連梁相關的一些問題，做到安全可靠且經濟實用。

參考文獻：

[1]朱炳寅.《建筑結構設計問答及分析》（第二版）

[2]《混凝土結構設計規范》GB50010-2010（2015年版）

[3]《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010

[4]《建筑抗震設計規范》GB50011-2010（2016年版）

作者簡介：

劉銀，華東建筑設計研究院有限公司大連分公司，遼寧大連。