改善小跨高比連梁抗震性能方法研究進展

馬士俊張愛社

(山東建筑大學土木工程學院，山東濟南250101)

0 引言

連梁作為剪力墻結構和框架—剪力墻結構內在平面內連接兩墻肢之間的梁，是保證高層建筑常用結構體系抗震性能的關鍵構件[1]。剪力墻中連梁通常梁高較大，跨度相對較小，在高層民用建筑中的連梁，跨高比＜2.5，屬于小跨高比連梁。在水平荷載作用下，在連梁梁端產生較大的約束彎矩與剪力，使連梁產生較大的剪切變形，易于發生延性較差的剪切破壞[2]。連梁的3種破壞形態分別是彎曲滑移型破壞、彎曲剪切型破壞以及剪切型破壞[3]。設計合理的連梁在地震作用下，將先于墻肢屈服，在連梁梁端出現塑性鉸，其他部分保持彈性，消耗地震能量，達到耗能減震的目的，同時減少主體結構的損壞[4]。GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》中對于連梁的設計要求是將連梁以跨高比為分界線，跨高比＞2.5的連梁按普通梁進行計算，跨高比＜2.5的連梁稱為小跨高比連梁，按連梁的設計規范進行計算[5]。

針對小跨高比連梁，許多學者相繼展開研究，總結國內外學者改善小跨高比連梁的抗震性能方法，可解決實際中小跨高比連梁在地震作用中易發生脆性的剪切破壞問題，為提高高層民用建筑的抗震性能提供參考依據。文章將圍繞新型配筋形式連梁，鋼—混凝土組合連梁，可更換連梁，新型截面形式連梁以及新型混凝土材料連梁5種改善抗震性能的方法進行總結闡述。

1 新型配筋形式改善抗震性能

采用新型的配筋形式是改善小跨高比連梁抗震性能的最常見的方式，從20世紀60年代末期，國內外學者相繼提出不同的新型配筋形式。

1.1 交叉暗撐配筋形式

20世紀60年代末，Paulay等[6]最早提出對角斜筋的連梁配筋方案，之后進一步沿斜向配箍形成交叉暗撐配筋形式，其構造如圖1(a)所示。連梁中的交叉斜筋可以同時起到抗剪和抗彎作用，沿對角線布置的斜筋一向受拉，另一向受壓。2組鋼筋在梁端截面中將以其軸力的豎向分量參與抗剪，從而減輕量內其與抗剪成分的負擔，不僅可以防止混凝土發生剪切破壞，而且可以避免梁端的剪切滑移。同時交叉暗撐的箍筋能為斜向混凝土提供一定約束，并能推遲受壓斜筋在連梁出平面方向的壓屈失穩。該方案先后在美國、新西蘭、加拿大、歐洲和中國的規范中使用。國內外學者相繼對對角暗柱配筋形式進行驗證。采用此種配筋形式的剪力墻的開裂荷載以及極限承載力都有較大提高，增強了剪力墻的變形能力的同時，耗能能力得到極大優化[7]。但對角交叉暗柱配筋在寬度方向需要配置大量縱筋及箍筋，因此在寬度較小的連梁中鋼筋綁扎困難，不宜施工。在 GB 50010—2010中規定，當連梁寬度＞400 mm時，宜采用此種配筋形式[5]。

1.2 對角斜筋配筋形式

1980年，Barney[8]提出對對角暗柱配筋進行簡化，形成對角交叉斜筋形式，如圖1(b)所示。隨著荷載增大，連梁在裂縫處發生滑移直至破壞。該方案可以使小跨高比連梁取得較好的延性和耗能能力。同時混凝土強度對結構承載力、抗震性能起主要作用。在對角斜筋配筋形式中，斜向鋼筋的走向與連梁彎矩的發展方向一致，連梁的抗剪與抗彎都由斜向鋼筋承擔，但也存在一些不足，實際情況中連梁的反彎點并不一定在連梁跨中位置，因此連梁的受力并不能完美符合斜向配筋的走向。而且當連梁兩側的混凝土被壓碎開始剝落的時候，斜向鋼筋將被壓屈，對角斜筋配筋形式的連梁將發生劈拉式剪切破壞[9]。

1.3 菱形配筋形式

為了在小跨高比連梁中避免混凝土連梁的脆性破壞，Tegos等[10]將主筋布置成菱形桁架式，形成菱形配筋形式，其構造如圖1(c)所示。在連梁中簡單加設4組折線形鋼筋，菱形筋更好的符合連梁彎矩的變化規律，菱形配筋形式中的斜向配筋隨著連梁長度減短而斜率更大，越接近于連梁的剪力方向，因此在跨高比越小的連梁中，菱形筋的抗剪能力越強。對菱形配筋方案的研究表明，相比于交叉暗柱配筋形式的連梁，對角斜筋配筋形式與菱形配筋形式的鋼筋走向雖能符合連梁的剪力發展方向，但延性系數只提高到約2.0～3.0的水準，個別情況略＞4.0，且耗能一般[11]。

1.4 綜合配筋形式

傅劍平等[12]在菱形配筋基礎上加設對角斜筋，從而形成新型的綜合配筋形式，如圖1(d)所示。其優勢表現在雙向交叉斜向鋼筋在連梁腹板內布置較分散且均勻，不僅可以有效防止過早發生的錯動型剪切破壞，而且能使腹板混凝土沿斜向較均勻受壓，斜筋分擔了部分斜向壓力，而L形筋還提供了少量側向約束，因此由梁腹板混凝土斜向壓潰導致的剪切破壞發生較遲，使連梁發揮出良好延性。對綜合配筋形式與單獨配置菱形鋼筋方案進行對比試驗。試驗結果顯示綜合配筋形式連梁的裂縫分布更均勻，同時綜合配筋形式連梁中的對角斜筋以及菱形筋配的越多，連梁的延性以及耗能能力就越好，在一定范圍內，配筋率與連梁的延性成正比。通過對不同配筋形式的小跨高比連梁進行數值分析結果表明，相比于交叉暗撐配筋以及對角斜筋配筋，綜合配筋形式的連梁鋼筋應力和連梁裂縫分布更加均勻[13]。

1.5 其他配筋形式

根據拉桿一壓桿模型和軟化壓桿—拉桿模型的原理，梁興文等[14]把連梁中的箍筋分為3層，每一層約束2層縱筋，其構造如圖1(e)所示。由于沿連梁截面高度配置了3層箍筋，箍筋對混凝土的約束作用增強，提高了混凝土斜壓桿的受壓承載力，使得混凝土剛度退化程度降低；因每層箍筋的拉力傳遞給構造鋼筋并在此處得到平衡，從而傳遞給混凝土的拉力明顯降低，減少了其軟化程度，提高了桁架—拱模型中斜壓桿的承載力。通過對3層箍筋配筋方案的連梁進行試驗發現，其連梁相比于普通配筋形式的連梁耗能更強，延性更好。隨后，張敬書等[15]提出一種強化配筋形式，其采用加密腰筋間距，在截面中部設置鋼筋網片的方案，強化配筋連梁不僅具有較高的抗剪承載力，同時相比于其他配筋形式施工更為簡單。

圖1 新型配筋形式連梁構造圖

對于小跨高比連梁，為使連梁強度和延性二者兼顧，目前新型配筋形式是最有效的辦法。當跨高比＜1.5時，由于交叉斜筋能抑制梁內交叉裂縫，且配筋符合連梁應力分布，對角暗柱配筋較為合理，但此種配筋形式要求墻厚一般＞350 mm，以便于施工。3層箍筋配筋形式雖然對角斜壓桿的作用上不如交叉暗撐方案好，但對抵抗整個連梁形成的斜壓力場有更大優勢。對角交叉暗柱通過犧牲施工便捷來換取較優的抗震性能，3層箍筋形式不僅抗震性能優良而且施工簡便。當跨高比＞1.5時，剪力傳遞主要是通過對角斜壓桿和斜拉桿，綜合配筋方案更能表現出優勢。

2 鋼—混凝土和可更換構件改善抗震性能

2.1 采用鋼—混凝土組合結構

在高抗震設防地區和高抗震性能要求的建筑結構中，連梁延性和耗能能力很難滿足要求。為此，20世紀80年代開始研究新的連梁形式——鋼—混凝土組合連梁。這種連梁兼有鋼連梁和混凝土連梁的優點，具有較高的承載力和位移延性。

2.1.1 型鋼連梁和勁性混凝土連梁

對于鋼—混凝土組合連梁的研究最早起始于美國辛辛那提大學對型鋼連梁的研究[16]。試驗發現型鋼連梁的滯回曲線飽滿，承載力退化少，適用于強烈度抗震設防的地區。型鋼連梁與鋼筋混凝土剪力墻組成的組合結構相輔相成，這種組合結構不僅強度高、剛度大，同時延性以及耗能能力都表現良好。2017年鋼連梁成功用于馬來西亞吉隆坡的標志塔[17]結構中，該鋼連梁結構抗側剛度更大，設計合理。

韓小雷[18]首次提出帶型鋼的勁性混凝土連梁，構造如圖2(a)所示。普通鋼筋混凝土剛性連梁多發生脆性破壞，而勁性混凝土剛性連梁發生彎曲破壞，耗能效果好。對帶型鋼的勁性混凝土連梁進行低周反復加載試驗，結果表明混凝土中加入鋼材可以有效提高連梁的抗剪承載力，增強延性以及耗能能力。勁性混凝土連梁破壞前塑性變形很大，即使外部混凝土破碎仍有很高的承載力，剛度退化不明顯，且表現出很強的耗能能力與抗震性能，型鋼在勁性混凝土連梁的破壞中起主導作用。同時型鋼混凝土連梁在實際工程中的應用[19]，充分利用了型鋼良好的延展性能，使連梁尺寸得到極大優化，提高了經濟效益。

2.1.2 鋼板混凝土連梁

由于型鋼會對墻肢中邊緣縱筋布置帶來困難，且施工時混凝土不易澆筑，為此研究者們對其進行改進，用鋼板代替型鋼得到鋼板混凝土連梁。鋼板混凝土連梁同樣能達到和型鋼混凝土連梁一樣的高延性高耗能，施工方便，且不影響墻肢內鋼筋布置。

鋼板混凝土組合連梁[20]最初在 1999年由Subedi提出，如圖2(b)所示。鋼板混凝土的3種破壞形態分別為:彎曲破壞、剪切破壞以及斜向劈裂破壞。內置鋼板不僅減小了梁截面面積，同時提高了梁剛度。許多學者對鋼板混凝土連梁進行了大量實驗研究，結果表明在鋼板混凝土連梁中，鋼板取代了腹筋，同時起到抗彎與抗剪的作用，增大鋼板的截面面積可以顯著提高連梁的抗震性能，含鋼率較高的連梁變形能力更好，承載能力顯著提高，滯回和耗能穩定，延性更好。同時焊接在鋼板上的栓釘起到傳遞混凝土與鋼板間剪力的作用，增大栓釘的數量也能有效提高連梁的抗震性能。鋼板混凝土連梁的極限剪切承載力遠高于現行規范[21-23]。

2.1.3 鋼管混凝土連梁

在鋼板混凝土連梁出現的同一年，Teng等[24]提出了在矩形鋼管內灌注混凝土形成鋼管混凝土連梁，構造如圖2(c)所示。由于內部填充混凝土的約束作用，外包鋼管沒有發生屈服破壞，鋼管混凝土連梁最終因為鋼管受拉翼緣被拉裂而破壞，鋼板承載力得到了充分發揮，達到了很高的極限承載力，而且后期剛度與剛度退化均很小。經試驗表明，外包鋼板混凝土組合連梁，試件的延性好、耗能能力強，但外包鋼管的制作較復雜，對于鋼管閉合處的焊縫的要求極高，同時鋼管內混凝土澆筑較為困難。

圖2 鋼—混凝土組合連梁構造圖

2.1.4 鋼桁架連梁

張云鵬等[25]提出的矩形鋼管混凝土疊合柱邊框內藏鋼桁架深連梁聯肢剪力墻結構，如圖3所示。鋼桁架混凝土組合連梁延性好、承載力高、剛度退化慢、耗能能力強。胡強等[26-27]對鋼桁架連梁進行低周反復加載試驗和有限元模擬，結果表明，混凝土剪力墻中的桁架體系使得剪力墻的受力更均勻，整體剛度分布合理，且地震作用時的剪力傳遞機制以及剛度退化機制更加完善，合適的連梁尺寸才能保證連梁的抗震性能。

雖然鋼連梁抗震性能好，耗能和延性均表現出色，但鋼連梁的截面剛度較小，削弱了與墻肢之間的聯系，導致結構的水平位移增大。同時鋼連梁耐火性能差，在火災情況下，鋼連梁極易發生失穩喪失承載力，安全性能低。目前工程中使用的鋼板—混凝土組合剪力墻有:(1)在傳統鋼筋混凝土剪力墻中埋置鋼板；(2)將鋼板包在混凝土外側，并通過一定的構造措施使鋼板與混凝土協同作用。與型鋼相比，鋼板在與墻肢連接時不影響墻肢邊緣構件中豎向縱向鋼筋的連續性，更方便施工。對于鋼桁架連梁，其設計要求在規范中并不完善，目前的實驗研究以及實際應用都太少，處在初期階段，同時鋼桁架連梁的受力機制以及傳力機理還有待進一步的研究。鑒于鋼管混凝土施工復雜，所以鋼板混凝土連梁在改善小跨高比連梁抗震性能上的應用更加成熟且有效。

圖3 鋼桁架連梁構造圖

2.2 采用可更換構件

Fortney等[28]提出可更換保險絲連梁的概念。可更換的保險絲連梁是把一根工字鋼連梁分成3段，中間段的腹板被削弱成為保險絲。這種保險絲連梁的抗震性能表現良好，且中間段的腹板破壞后可以進行更換。通過對安裝該連梁的框架剪力墻結構整體模型進行非線性時程分析，發現連梁塑性變形集中在“保險絲”處，且結構本身的強度和剛度沒有降低。呂西林等[29]將可更換連梁定義為一種在地震后易于修復或更換的連梁，受損部位可拆卸，可更換部位一般通過高強螺栓進行連接。通過試驗發現，在腹板上采用菱形開孔可增強耗能能力。

在可更換的保險絲連梁這一概念提出后，國內外學者集思廣益，對可更換連梁這一概念提出各種附加摩擦阻尼耗能構件的可更換連梁[30]，如黏彈性連接阻尼器連梁[31]、帶有 X型鋼板阻尼器的連梁[32]、梁截面削弱型黏彈性連梁阻尼器連梁[33]以及帶縫鋼板阻尼器連梁[34]。通過對這些附加摩擦阻尼器連梁的低周往復加載試驗和數值分析，結果顯示附加摩擦阻尼耗能構件的連梁通過自身變形，可以減小結構的層間位移，提供給整體結構更大的塑性變形能力，但對剛度和承載力削弱不大[35]。含可更換阻尼構件的連梁耗能情況良好，滯回曲線飽滿；帶阻尼器的連梁比普通連梁耗能更好，但阻尼器變形后對樓板會產生不利影響。

近幾年，可更換連梁又出現了新的研究方向。帶約束屈曲鋼腹板的可更換鋼桁架連梁[36]，采用鋼板作為腹板，腹板與連梁通過螺栓連接，連梁的兩端與剪力墻鉸接；跨中截斷式可更換鋼連梁[37]，可以提高剪力墻的抗側剛度、承載力和耗能能力；功能自恢復連梁[38]，解決了剪力墻結構體系存在的根本抗震問題。對可更換連梁進行振動臺試驗，結果表明:設置可更換連梁后結構的殘余變形減小，且可更換構件能夠集中損傷[39]。

可更換連梁，可更換耗能構件的承載力、剛度以及耗能能力是今后研究的關鍵。同時可更換連梁耗能構件還應具備連接方便、造價低、性能可靠和易于施工等特點。目前在此方面的研究還都太少，有待后續進一步的發展。

3 新型截面和新型材料改善抗震性能

3.1 新型截面形式

3.1.1 多連梁

清華大學發現在深連梁中開一道槽縫將一根連梁變成2根跨高比大一倍的普通連梁，雙連梁就此產生，構造如圖4(a)所示。跨高比增大一倍的兩根連梁的受力情況與普通混凝土梁較為一致，但開洞后的雙連梁延性較不開洞連梁更好。此后又通過開雙縫從而提出三連梁，如圖4(b)所示。通過雙連梁的低周往復加載實驗，結果表明在小跨高比連梁中設置水平通縫可有效防止連梁發生剪切破壞，雙連梁剪力墻結構能有效降低連梁內力，提高其延性[40]。小震下2分梁一起工作；在大震下，雙連梁各自工作，塑性變形能力更強，可以消耗大量地震能量。多連梁的構造形式實際改變了連梁的受力機制，因此在設計多連梁時，不可以對多連梁按抗剪截面面積相等進行簡單的等效換算。于德湖等[41]對不同截面形式的連梁進行有限元數值模擬，發現多連梁的每個分梁截面尺寸應相同，且每層連梁的高度＜0.3 m。連梁有良好的承載力儲備，兼備結構對延性和剛度的要求。但通過對帶樓板的雙連梁進行模擬發現，帶樓板的雙連梁屈服變形大，延性和耗能不如對角斜筋、交叉斜筋的連梁。

3.1.2 寬連梁

劉暢等[42]首次提出寬連梁形式。寬連梁即采用了增大連梁兩側或單側跨中截面尺寸的設計，提高更大的抗剪截面面積，有效解決了連梁受剪承載力不足的問題。根據抗彎剛度等效原則確定的寬連梁截面尺寸，可以保持寬連梁與普通連梁結構側向剛度的一致性。通過數值分析發現，與相同抗彎剛度的普通連梁相比，寬連梁的跨高比增大，其轉動能力、延性與耗能能力明顯增強；罕遇地震作用下，寬連梁剪力墻結構在最大層間位移角、塑性鉸分布、連梁剪力、受剪承載力等方面均顯著優于普通連梁剪力墻結構。

圖4 多連梁構造圖

通過在深連梁中加縫形成多連梁的構造設計，與普通連梁相比有3大優點:(1)能較好降低連梁內力；(2)能設置不同的連梁間距，便于建筑設備、管線的布置；(3)能通過個性化設計多連梁的每個連梁，使每根連梁在不同階段實現不同的性能目標。但是多連梁降低了連梁與剪力墻墻肢之間整體的剛度，削弱了對墻肢的約束作用，同時多連梁端部的抗剪機理同普通連梁并沒有改變，因此塑性鉸區域的剪切滑移問題并沒有從根本上得到改變。多連梁與寬連梁都是通過降低連梁截面高度來增大跨高比，如何和原來的小跨高比連梁進行剛度等效還是一個關鍵的問題，且對于多連梁以及寬連梁的研究多于數值分析，并沒有大量的試驗以及實際工程來提供依據。

3.2 新型材料

對于連梁的延性和抗剪承載力的影響因素，主要有跨高比、剪壓比以及混凝土材料，因此國內外學者從新型混凝土材料入手，通過改變連梁的受力以及傳力性能來提高連梁的抗震性能。

3.2.1 鋼纖維混凝土連梁

在混凝土中摻入鋼纖維，得到鋼纖維混凝土。鋼纖維可有效地防止混凝土保護層、斜裂縫面上以及剪壓區的混凝土在達到極限狀態時發生酥裂和剝落，連梁滯回曲線的捏縮現象得到了改善，而增大配筋率不能緩解滯回曲線的捏縮現象。鋼纖維混凝土改善了混凝土的脆性，之后被很多學者采用。車佳玲等[43]通過對不同鋼纖維體積摻量的連梁進行試驗，結果表明對于只有材料不同的連梁，鋼纖維混凝土連梁的抗剪承載力更高，耗能情況更好，剛度退化緩慢，有效的提高了連梁的延性。當混凝土開裂時，鋼纖維可以有效的束縛混凝土上的裂縫發展，使得裂縫的分布更加均勻，優化了剪力的傳遞。同時采用鋼纖維混凝土的連梁破壞形態多為延性的彎曲破壞，從根本上改善了連梁的抗震性能。

3.2.2 纖維增強混凝土連梁

在鋼纖維混凝土問世后，有學者思考在普通混凝土里摻入各種其他的高強有機纖維。Canbolat等[44]在普通混凝土里摻入高強有機纖維得到纖維增強混凝土。纖維增強混凝土中的高強有機纖維可以增強結構的剪切和彎曲響應，硬化過程中可以使連梁局部得到強化。車佳玲等[43]對對角斜纖維增強混凝土小跨高比連梁進行了試驗研究和數值模擬分析得到，纖維增強混凝土的抗拉強度與延性都高于普通混凝土，高性能纖維復合材料延緩了混凝土開裂。在同樣配筋情況下，相比普通鋼筋混凝土連梁，抗剪承載力有一定提高，而且剛度退化較好，抗震性能良好。用纖維增強混凝土材料制作的剪力墻連梁，表現出良好的延性與耗能性能，在中低度抗震設防時，高強有機纖維可以替代部分箍筋。

采用新型混凝土材料的連梁仍是現今較為新穎的方式，通過鋼纖維混凝土以及各種纖維增強混凝土，從根本上改善了連梁的抗震性能，但對于各種新型材料的連梁，對于其破壞形態及傳力機理的了解還有待完善，目前國內的規范，對于新型混凝土材料連梁并沒有要求，在國內還處在一個較為空白的階段。

4 展望

新型截面形式是最早被用于改進連梁抗震性能的，同時其也是目前最為普遍且最為成熟的方法。鋼—混凝土組合連梁的抗剪承載力高，抗震性能好，耗能和延性均表現出色。可更換連梁造價低，易于施工，耗能能力強。采用新型截面形式的連梁施工簡單，延性最好，且成本最低。采用新型混凝土材料的連梁從根本上提高了連梁的抗震性能，優化了連梁的破壞形態。

在前人研究的基礎上，今后的研究可以圍繞下面幾個方面進行:(1)鋼—混凝土組合連梁的受力機制、傳力機理以及破壞形式和承載力影響因素還有待研究，國內對于此方面的研究較少。鋼板與混凝土的粘結問題，以及連梁與混凝土墻肢的連接問題都關系到連梁整體性能的發揮，鋼板與混凝土之間如何更好的協同作用還有待研究。(2)對于新型截面形式的連梁的研究多于數值分析，并沒有大量的試驗以及實際工程來提供依據，如何與原來的小跨高比連梁進行剛度等效還是一個亟需解決的關鍵問題，未來可補充其相關規范。(3)對于采用新型混凝土材料的連梁的受力機制、傳力機理的研究還有待完善，破壞形態還有待考究，選用高延性、高耗能、抗剪能力強的新材料連梁是今后的發展趨勢。(4)可更換連梁耗能能力強，施工簡單，如何提高耗能構件的承載力和剛度是今后研究的重點。