高層剪力墻連梁設(shè)計的幾點(diǎn)建議

章捷 邱東梅 雷潤亞

中冶東方工程技術(shù)有限公司秦皇島研究設(shè)計院 066004

高層剪力墻連梁設(shè)計的幾點(diǎn)建議

章捷 邱東梅 雷潤亞

中冶東方工程技術(shù)有限公司秦皇島研究設(shè)計院 066004

簡述了高層剪力墻連梁的工作和破壞機(jī)理，針對連梁的受力特點(diǎn)，按“強(qiáng)剪弱彎”原則提出幾點(diǎn)設(shè)計建議，可供結(jié)構(gòu)設(shè)計人員參考。

剪力墻；連梁；塑性鉸；強(qiáng)剪弱彎；延性

引言

在剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，連接墻肢與墻肢，墻肢與框架柱的梁稱為連梁。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(diǎn)。一般在風(fēng)荷載和地震荷載的作用下，連梁的內(nèi)力往往很大。此外，高層建筑中，由于連梁兩端墻肢的不均勻壓縮，會引起連梁兩端的豎向位移差，這也將在連梁內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)力。在設(shè)計時，即使采取降低連梁內(nèi)力的各種措施，如：增大剪力墻的洞口寬度，在連梁中部開水平縫，在計算內(nèi)力和位移時對連梁剛度進(jìn)行折減，對局部內(nèi)力過大層的連梁進(jìn)行調(diào)整等，仍難使連梁的設(shè)計符合要求。基于這種情況，本文將提供連梁設(shè)計的幾個建議，以供結(jié)構(gòu)設(shè)計人員參考。

1.連梁的工作和破壞機(jī)理

在風(fēng)荷載和地震荷載作用下，墻肢產(chǎn)生彎曲變形，使連梁產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，從而使連梁產(chǎn)生內(nèi)力。同時連梁端部的彎矩、剪力和軸力又反過來減少了墻肢的內(nèi)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(tài)。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(fā)生脆性破壞時就喪失了承載力，在沿墻全高所有連梁均發(fā)生剪切破壞時，各墻肢喪失了連梁對它的約束作用，將成為單片的獨(dú)立梁。這會使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大降低，變形加大，墻肢彎矩加大，并且進(jìn)一步增加P-Δ效應(yīng)（豎向荷載由于水平位移而產(chǎn)生的附加彎矩），并最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌。連梁在發(fā)生延性破壞時，梁端會出現(xiàn)垂直裂縫，受拉區(qū)會出現(xiàn)微裂縫，在地震作用下會出現(xiàn)交叉裂縫，并形成塑性絞，結(jié)構(gòu)剛度降低，變形加大，從而吸收大量的地震能量，同時通過塑性鉸仍能繼續(xù)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(qiáng)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(nèi)力，延緩墻肢屈服有著重要的作用。但在地震反復(fù)作用下，連梁的裂縫會不斷發(fā)展、加寬，直到混凝土受壓破壞。

2.設(shè)計建議

在墻肢和連梁的協(xié)同工作中，剪力墻應(yīng)該具有足夠的剛度和強(qiáng)度。在正常的使用荷載和風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)該處于彈性工作狀態(tài)，連梁不應(yīng)該產(chǎn)生塑性鉸，在地震作用下，結(jié)構(gòu)允許進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，連梁可以產(chǎn)生塑性鉸。根據(jù)抗震設(shè)計規(guī)范總則的要求，建筑物在遭受低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震影響時，一般不損壞或不需修復(fù)仍可使用，當(dāng)遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。因此，剪力墻的設(shè)計應(yīng)該保證不發(fā)生剪切破壞，也就是要求墻肢和連梁的設(shè)計符合強(qiáng)剪弱彎的原則，同時要求連梁的屈服要早于墻肢的屈服，而且要求墻肢和連梁具有良好的延性。為實現(xiàn)以上目的，在連梁的設(shè)計中可考慮采取以下措施。

2.1 連梁剛度的折減

連梁由于跨高比小，與之相連的墻肢剛度大等原因，在水平力作用下的內(nèi)力往往很大，連梁屈服時表現(xiàn)為梁端出現(xiàn)裂縫，剛度減弱，內(nèi)力重分布。因此，在開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計算時，可考慮在不影響其承受豎向荷載能力的前提下，允許連梁適當(dāng)開裂（降低剛度）而把內(nèi)力轉(zhuǎn)移到墻肢上。一般情況，設(shè)防烈度低時可少折減一些（6、7度時可取0.7），設(shè)防烈度高時可多折減一些（8、9度時可取0.5），但折減系數(shù)不宜小于0.5，以保證連梁承受豎向荷載的能力。值得注意的是，對剪力墻中某些連梁，如果跨高比較大（如大于5）、豎向（重力）作用效應(yīng)比水平作用效應(yīng)（風(fēng)荷載或地震作用）更為明顯，此時應(yīng)慎重考慮連梁剛度的折減問題，必要時可不進(jìn)行剛度折減，以控制正常使用階段梁裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

2.2 增大連梁的跨高比

在連梁設(shè)計中，剛度折減后，仍可能發(fā)生連梁正截面受彎承載力或斜截面受剪承載力不夠的情況，這時可以增大墻體洞口的寬度（增大連梁跨度）或減小連梁的截面高度，以減少連梁剛度，從而減小了結(jié)構(gòu)的整體剛度，也就減小了地震作用的影響，避免連梁配筋超限。如果還有少部分連梁超筋，則可采取調(diào)整連梁內(nèi)力來解決，但調(diào)整的幅度不宜大于20%，且連梁必須滿足“強(qiáng)剪弱彎”的要求。

2.3 增大剪力墻厚度

即增加連梁的截面寬度，其結(jié)果一方面由于結(jié)構(gòu)整體剛度加大，地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力增加，另一方面連梁的受剪承載力與其寬度的增加成正比，由于該片墻厚增加以后，地震所產(chǎn)生的內(nèi)力并不按墻厚增加的比例分配給該片剪力墻，而是小于這個比例，因此有可能使連梁的受剪承載力不超限。

2.4 提高混凝土等級

混凝土等級提高后，連梁承受的地震作用效應(yīng)增加的比例遠(yuǎn)小于混凝土受剪承載力提高的比例 ,有可能使連梁的受剪承載力不超限。

剪力墻連梁在進(jìn)行了上述調(diào)整后，仍有部分不符合承載力要求時，可取連梁截面的最大剪壓比限值確定梁端剪力，然后按“強(qiáng)剪弱彎”的要求，配置相應(yīng)的縱向鋼筋。此時，如果不能保證連梁在大震時的延性要求，應(yīng)重新調(diào)整結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行整體計算，使連梁的承載力滿足要求。

以上各種措施中，在能滿足整體剛度的情況下，可先采用剛度折減，如仍超限可采用其余各種措施。

3.結(jié)語

高層建筑剪力墻連梁的設(shè)計受很多因素的制約，連梁的內(nèi)力和剪力墻的多少、每片剪力墻的水平力大小、連梁的剛度、與之相連的墻肢剛度等都有關(guān)。因此在設(shè)計時，問題是比較復(fù)雜的，設(shè)計時要把互相制約的因素統(tǒng)一協(xié)調(diào)考慮，以取得比較理想的結(jié)果。

[1] 國家標(biāo)準(zhǔn).混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.GB 50010-2002.北京:中國建筑工業(yè)出版社.2002

[2] 國家標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計規(guī)范.GB 50011-2010.北京:中國建筑工業(yè)出版社.2010

[3] 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.JGJ 3-2002.北京:中國建筑工業(yè)出版社.2002

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.061