高層建筑鋼筋混凝土連梁的設計和研究

左鵬

摘 要：在剪力墻結構和框架―剪力墻結構中 ，兩端與剪力墻在平面內相連的梁稱為連梁。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，連梁的內力往往很大。本文根據鋼筋混凝土結構的特點提出了以承載能力為控制條件的鋼筋混凝土梁等強度設計原則，并對其設計進行了簡要的探討。

關鍵詞：高層建筑 鋼筋混凝土 連梁設計

前 言

高層建筑是社會生產發展和人們生活需求的產物，是商業化、現代化、城市化和工業化發展的結果。它主要是體現一個國家經濟和技術的發展水平。隨著我國經濟的快速發展，人口不斷增加，高層建筑逐漸成為城市發展的標志。剪力墻結構是高層建筑中常見的結構形式，其中，高層建筑剪力墻中的連梁在高層建筑是非常重要的，它主要是連接柱和剪力墻。連梁具有非常多的優點，即梁截面比較大，跨度比較小等。所以，連梁在高層建筑風荷載、水平力以及地震荷載等外力的作用下就會產生比較大的內力。此外，高層建筑剪力墻中的連梁兩端的墻肢會因為一些外力的影響產生不均勻的壓縮，此時連梁的兩端就會發生豎向位移，連梁容易超筋算不過。因此，對高層建筑剪力墻中的連梁設計進行研究具有非常重要的意義。

一、高層建筑剪力墻中連梁的工作和破壞機理

眾所周知，鋼筋混凝土的破壞形式可分成兩種：脆性破壞和延性破壞。此外，高層建筑聯肢墻在水平力和風荷載作用下的破壞形式同樣可以分成兩種：脆性破壞和延性破壞，這里的脆性破壞也可以稱作剪切破壞，而延性破壞就稱為彎曲破壞。

在高層建筑剪力墻中聯肢墻的脆性破壞也可以分為兩種，一種破壞是發生在墻肢，另外一種則是連梁先屈服，然后就是墻肢的屈服。墻肢破壞中，墻肢之所以發生脆性破壞主要是因為其抗剪能力不足造成的，由于其抗剪能力比較小，其剪力墻就失去了承載力，因此就造成了墻肢發生脆性破壞。這種形式的破壞，在高層建筑剪力墻設計中是應避免的。脆性破壞的另外一種形式就是連梁的脆性破壞，連梁一旦發生脆性破壞就會使聯肢墻各墻肢喪失連梁對墻肢的約束作用。此外，為了防止高層建筑的墻肢在發生彎曲破壞之前就發生脆性破壞，在《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）就明確的規定了抗震等級為一、二級時抗震墻底部加強部位剪力設計值和抗震墻截面的剪壓比限值放大系數。

在高層建筑剪力墻中連梁的延性破壞也可以分為兩種情況，一種破壞形式是連梁不發生屈服現象。墻肢發生的是彎曲破壞，其剪力墻在破壞形式下其產生的極限變形是比較小的，所以，對于那些有抗震設防要求的高層建筑來說，它雖然是一種延性破壞，但是吸收地震能量的能力還是比較低，在其連梁的設計中是可以避免這種現象的出現。另外一種破壞形式則是連梁先屈服，然后就是墻肢的屈服。在這個破壞形式中受拉區則會出現比較細小的裂縫，且梁端也會出現一些垂直裂縫，此外，在地震作用下還會出現一些交叉裂縫，并且形成塑性鉸，此時結構的變形就會變大，剛度就會下降，使得大量的地震能量都被吸收，此外，剪力和彎矩的傳遞還能繼續通過塑性鉸進行，使得剪力墻的剛度和強度能保持足夠大，在這個破壞過程中，連梁的主要作用是耗能、延緩墻肢屈服使墻肢內力不斷減少，但是一般在反復作用下，其高層建筑剪力墻中的連梁裂縫就會不斷的變寬、增多，一直持續到混凝土出現受壓破壞。

二、有限元模型

（1）材料模型。鋼筋材料模型采用線彈性模型和雙線性彈塑性材料模型。混凝土模型考慮受拉開裂，其受壓本構關系采用不帶下降段的多折線隨動強化模型來定義，本構關系的具體數學模型采用混凝土規范建議的公式（上升段為二次拋物線，之后為水平的直線段）：當εc<ε0時，σc=fc[1-（1-εc/ε0）n];當εc<ε0<εcu時，σc=fc，式中各參數含義參見混凝土規范。

（2）模型建立。采用有限元軟件ANSYS進行模擬分析，根據實際情況，對鋼筋分布比較均勻的剪力墻和樓板采用整體式建模，連梁縱筋采用分離式建模，箍筋按配筋率彌散在混凝土中。混凝土采用Solid65單元模擬，鋼筋采用Link8單元模擬，這些單元可以模擬混凝土中的加強鋼筋以及混凝土的拉裂、壓碎現象，并得到鋼筋的應力、應變分布。建模過程中，不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移，劃分網格時鋼筋與混凝土單位共用節點，同時不考慮混凝土的壓碎。計算時，混凝土閉合裂縫剪切傳遞系數取為0.95，剪力墻部位張開裂縫剪切傳遞系數取0.125，連梁部位張開裂縫剪切傳遞系數取0.5。建模時，墻肢底部所有節點施加全約束，水平荷載施加在模型左端頂部，為使計算收斂，在施加集中荷載處增加剛性墊片。荷載步取10kN逐級加載，直到結構破壞為止。

三、連梁的設計措施

（1）調整連梁截面高度。當高層建筑連梁剪應力比設定的限制值比較高時，此時是不能增加截面高度，主要是因為增加截面高度，其剪應力就會隨之增大，其建筑的穩定性就會變差。在截面經調整之后其高度變小之后，此時連梁的剛度也會隨之下降，就能保證承載力不高過限制值，其地震作用產生的不利后果就能得到控制。增加過梁，降低連梁高度這是一種比較實用的方法，這種方法使得過梁的兩端嵌在剪力墻中，能與剪力墻同時澆筑，大大方便了工程施工。此外，還需要用砌塊將剪力墻與連梁之間的空隙填補好。在采用這種方法時連梁的高度設置要合理，不過過大，也不能過小。連梁高度過大，建筑物的穩定性就會下降;連梁高度過小，就不能將過多的能量給消耗掉，墻肢的損害程度也不會降低。

（2）設縫變雙連梁。為了解決連梁減壓比不滿足要求時的問題，我們可以通過設縫方案來有效解決此問題。連梁水平縫的設置通常可以沿著梁跨度方向全開，當然也可只在梁的兩端預留，這種方法可以有效的降低了連梁截面的高度，從而使其跨高比顯著提高，當地震發生時，在連梁的中部形成薄弱部分，大變形下在此處開裂形成水平縫，使其形成雙梁，使結構承受的地震剪力降低，從而減小了連梁被破壞的機率。

（3）折減連梁的剛度。高層建筑中的連梁由于其自身特點，其在水平力的作用下產生的內力是比較大的，連梁發生屈服時，其剛度就會逐漸變小，內力也會出現重分布現象，連梁的兩端也會出現一些裂縫。所以，在對高層建筑剪力墻連梁設計時就需要將結構的整體計算出來，對連梁的剛度進行折減。在實際高層建筑中連梁的設計一般取值是在0.55到1之間，這主要是為了符合截面設計的要求。對于那些以風荷載為主要控制因素的高層建筑，其折減系數就應該取較大點的數值。

四、結語

綜上所述，鋼筋混凝土連梁在高層建筑中的作用是極為重要的，它的設計是否滿足要求將關乎到整棟建筑結構的穩定和使用者的人身財產安全。因此，在進行對連梁設計時，相關設計人員要仔細認真的考慮整棟建筑結構的整體抗震性能。根據建筑工程實踐證明只有合理的結構形式才能從根本上解決我們進行結構設計中所遇到的問題，才能保證建筑的整體穩定性，促進我國建筑行業的可持續發展。