剪力墻結構中如何解決連梁問題

郭培成

(廈門大學嘉庚學院，福建漳州 363105)

剪力墻結構中連梁作為重要的結構構件之一，具有跨度小、截面大、相連墻肢剛度較大等特點。高層建筑在水平風荷載和水平地震作用下，不論是剪力墻結構、框架-剪力墻結構，還是筒體結構，連梁都很容易發生超筋超限現象。因此采取必要措施，保證連梁截面符合設計要求，研究鋼筋混凝土剪力墻結構及其破壞模式仍具有普遍適用性，而作為耗能構件的連梁，如何保證連梁不發生剪切破壞，并解決設計中遇到的超筋超限問題便成為一個棘手又重要的研究內容。

1 工程概況

某高層住宅樓,鋼筋混凝土剪力墻結構。地下室為兩層,層高依次為4.6 m和4.8 m；地上27層, 地上1層建筑層高為4.5 m;2～4層層建筑層高為4.2 m，為商務酒店、商場;其他層為民用住宅,層高度為3 m,建筑高度91.5 m,結構高度86.7 m，總建筑面積17 215 m2?？拐鹪O防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g,地震分組第三組,基本風壓0.60，計算承載力時取基本風壓的1.1倍，位移計算取基本風壓, 結構體型系數1.4，基本雪壓0.3,建筑物抗震設防類別為丙類，場地類別Ⅱ類，設計基準期50 a，使用年限70 a，結構安全等級二級，地基基礎設計等級為甲級。本結構采用結構整體計算，采用中國建筑科學研究院編制的PKPM系列SATWE ( V4.2版)。

2 連梁設計與研究分析

將建筑物墻體的一部分作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結構，稱之為剪力墻結構，在抗震地區也稱為抗震墻結構。按照JGJ 3-2010《高層混凝土結構技術規程》7.1.3條，跨度與高度比小于5的連梁(即兩端與平面內剪力墻相連)應按照本規程進行設計，跨度與高度比不小于5的連梁宜按框架梁進行設計。連梁在PKPM模型中采用兩種方式進行布置：第一種方式先布置剪力墻，然后再布置梁，使梁的跨度與高度比小于5，一般梁的截面高度較??；第二種，直接布置較長的剪力墻，然后再剪力墻中開設結構洞口，形成連梁，一般梁的截面高度較大，即雙肢墻。分別按照下列要求進行配置箍筋計算，跨高比大于2.5的連梁見式(1)、跨高比不大于2.5的連梁見式(2)：

(1)

(2)

2.1 連梁的受力分析

剪力墻和連梁共同作用，形成空間受力體系，共同承擔豎向荷載和水平荷載的作用，因此需保證連梁具有足夠的承載能力和變形能力。在小震作用下整體結構仍處于彈性工作狀態，連梁不產生塑性變形，在中震或大震作用下整體結構可進人彈塑性工作狀態，連梁產生塑性變形。在地震作用下，連梁相對剪力墻延性較好，可以消耗地震能量，形成局部出現破壞，產生塑性鉸，但不會影響到整體結構的安全。由于連梁的兩端與剛度較大的剪力墻剛度連接，從而使其在地震作用下分配到的地震剪力也比較大，會在連梁兩端出現轉動(形成轉角)，這時連梁就出現了塑性鉸，表明連梁己進入彈塑性受力階段，在分配的水平荷載不斷增大的過程中，塑性鉸也不斷增大、擴展，最后導致連梁破壞，退出工作。連梁在整個設計過程中，作為剪力墻結構的第一道防線，通過破壞消耗地震能量，來保證地震作用下剪力墻不出現塑性鉸。在實際項目中，大部分剪力墻連梁超筋超限現象都是由于剪壓比不足造成的。為了解決這一問題，防止連梁過早發生剪切破壞，主要從結構概念設計和結構構件設計兩大方面考慮。為了避免裂縫過早出現或混凝土過早剪切破壞，應對連梁進行最小截面尺寸的規定，下列公式僅僅代表地震狀態下的要求。跨高比大于2.5的連梁見式(3)，跨高比不大于2.5的連梁見式(4)。

(3)

(4)

2.2 工程上如何解決連梁破壞、超筋等現象

連梁作為剪力墻中的一部分，對整體結構的剛度貢獻較大，合理的設計不僅能夠實現整體延性好、耗能高、剛度大、承載力高，而且也會滿足經濟效果好。連梁作為剪力墻結構中的第一道防線，應先于墻肢發生屈服，并具有較大的延性和耗能能力。

2.3 如何確定合理的連梁截面尺寸

連梁設計應滿足強墻弱梁、強剪弱彎(連梁的剪力設計值等于或大于連梁在抗彎極限狀態下對應的剪力，即:

(5)

2.4 設置交叉斜筋或對角暗撐

通過設置一定數量的交叉斜向鋼筋，來提高連梁的抗剪能力。連梁截面寬度一般不小于250 mm，主要是為了保證鋼筋有充足的安置空間。但是一般情況下，剪力墻的墻體厚度200 mm，交叉斜向鋼筋不適合采用。設置對角暗撐，面積應符合式(6)的要求。即:

(6)

式中：α為暗撐與水平線的夾角，Vb代表連梁端截面組合的剪力設計值。

2.5 設置雙連梁

雙連梁是指在連梁截面高度的中間部位設置一條水平縫，將一根連梁分為兩根小連梁，一般水平縫的寬度為50～100 mm，可保證連梁的抗剪承載力基本保持不變，而大大削弱連梁的抗彎承載力，滿足強剪弱彎的要求。例如設計中采用連梁截面尺寸為b×h=200 mm×1000 mm,將其修改為2根200 mm×500 mm。這樣相當于減小了梁截面高度，從而降低了其剛度，其分配的剪力值會明顯下降。采用雙連梁保證了面積不變，但截面慣性矩大小不同，剛度會下降。

2.6 連梁剛度折減

在進行計算地震作用效應時，由于相對于剪力墻而言，剛度較小，而受到的彎矩和剪力較大，配筋設計較為困難。因此JGJ 3-2010《高層混凝土結構技術規程》5.2.1條規定，對剪力墻連梁剛度予以折減，折減系數不宜小于0.5?？拐鹪O防烈度越低，折減系數越大，一般6度、7度設防區折減系數0.7左右，8度、9度抗震設防烈度區為0.5～0.55。目的是減少地震作用下的連梁受力，但當連梁剪力作用效應最不利值由風荷載控制時，連梁剛度不宜折減。

2.7 荷載表現小的情況

當連梁破壞對承受豎向荷載無明顯影響時(無樓面梁支撐在連梁上時)，可考慮在大震作用下該連梁不參與工作，按獨立墻肢進行第二次多遇地震作用下結構內力分析，墻肢應按兩次計算的較大內力進行包絡設計，同時連梁本身宜滿足非抗震設計的承載力和正常使用要求。

3 具體工程案例分析

通過PKPM的計算分析，結構整體指標中，在下部2～7層出現了連梁抗剪不滿足要求以及Y方向的位移角為1/920不符合要求，本建筑結構方案平面中，X方向尺寸大，長寬比達到了3.7倍，因此Y方向剛度較小，其它指標均符合。由于剪力墻的數量、厚度、長度、混凝土等級均受到建筑功能的約束，無法進行調整，僅能通過修改框架梁、連梁的截面尺寸來滿足結構的剛度，從而符合位移角的要求。為了使結構滿足各項指標的要求，分別進行了各種方案的比較分析：

(1)第一種方案是采用加大部分框架梁的截面尺寸，但使其跨度與高度比不小于5，框架梁截面尺寸由200 mm×450 mm、200 mm×500 mm、250 mm×450 mm、250 mm×500 mm分別提高至200 mm×550 mm、250 mm×550 mm，經過重新計算分析，連梁抗剪不滿足要求的位置和數量變化不大，位移角僅發生很小變化，變為1/938，仍不滿足規范要求。

(2)第二種方案調整連梁的尺寸，如果減小連梁截面尺寸，會導致連梁的剛度下降，從而導致整體結構的剛度下降，這種方案不適合。

(3)第三種方案加大連梁截面尺寸，由原來的跨高比4.5分別增加至4、3.5、3、2.5等，這樣可能會導致連梁承擔更多的內力分配，使其內力增加的幅度大于截面加大抗力增加的幅度，這樣也不一定會滿足要求。經過處理，部分連梁滿足最小截面尺寸驗算，滿足了抗剪要求，但還有部分連梁仍受剪不滿足要求。剩余部分不滿足抗剪要求的連梁，通過采用雙肢墻來實現連梁，這樣這樣處理后，雙肢墻中的部分連梁滿足了抗剪要求，原因是連梁剛度增加、抗剪能力加強，開洞口后形成連梁，混凝土標號同剪力墻，提高了混凝土標號，參考式(2)、式(4)說明，混凝土標高提高對于連梁的抗剪有幫助。其余的連梁通過設置雙連梁，減小連梁的受剪效應；對于二層樓面的兩根連梁，通過設置交叉斜筋或對角暗撐的方式，使其滿足了要求。經過處理，滿足了連梁的抗剪要求，同時位移角為1/1070。

4 結論

在高層建筑結構設計中，連梁設計的合理與否直接影響剪力墻的受力性能及整體結構的安全性、合理性；連梁的強剪弱彎設計是為了更好地提高連梁延性，控制其合理的截面尺寸尤為重要；設置雙連梁、交叉斜筋、對角暗撐等要針對具體情況，不要盲目地一起處理；對連梁出現的問題應圍繞概念設計解決問題；合理設置墻肢，避免連梁屈服早于墻肢屈服。