基于概念设计的剪力墙结构连梁处理建议

  摘  要：结合多年的实践经验，从概念设计角度出发，探讨了剪力墙结构中连梁的结构设计，可供相关人士参考。

关键词：高层建筑、剪力墙结构、连梁设计
 
剪力墙洞口连梁既起着调节和保证剪力墙侧向刚度的作用，又是抗震剪力墙的第一道防线，起着消耗地震能量的作用。具有合适强度、刚度和良好变形性能的连梁的剪力墙，在遭受强烈地震时，多数连梁在墙肢屈服之前先屈服，发挥其塑性变形能力，耗散地震能量，有效减轻主体结构构件的损坏。
在剪力墙结构和框一剪结构中，连接墙肢与墙肢、墙肢与框架柱的梁称为连梁。本文只讨论连接墙肢与墙肢的连梁。

1 连梁的设计方法的讨论

1.1连梁刚度的折减
由于《高规》没有明确说明考虑抗震和不考虑抗震时的折减系数的取值范围。也没有说明所考虑的连梁是以承受水平荷载为主还是竖向荷载为主的不同情况。这就造成有的设计者为了解决连梁截面设计问题，就在1~0.55的范围内任意取值，以符合截面设计要求。
应该认清，所以考虑对连梁的刚度进行折减，是由于在侧向荷载作用下，混凝土的开裂引起了刚度的降低。在地震作用下，连梁的裂缝开展和塑性变形比在风荷载作用下的更大。因此，刚度降低的更多。但是，刚度折减得越多，亦即取用的折减系数越小，意味着设计荷载作用下裂缝开展的越大。在超载时，如发生强大的阵风或罕遇地震烈度时，塑性铰也会出现得更早。这就要求更加注意加强连梁的延性和使连梁符合“强剪弱弯”的要求。
对于以风荷载为控制因素的建筑中，为了避免连梁在使用荷载作用下裂缝开展过大，刚度折减系数应取较大值。对于以地震作用为控制因素的建筑中，则可取较小的刚度折减系数，但为了保证连梁的延性要求，此刚度折减系数不应小于0.55。此外，在计算竖向荷载作用下的内力时，对己经考虑了调幅的连梁，不应再进行刚度折减了。
1.2 连梁刚度采用折减系数后，部分连梁的承载力不符合要求的处理
《高规》第五章截面设计和结构构造的第5.3.6条规定:当联肢剪力墙中某几层连梁的弯矩设计值超过其最大受弯承载力时，可降低这些部位的连梁弯矩设计值，并将其余部位的连梁弯矩设计值相应提高，以满足平衡条件。经调整的连梁弯矩设计值，可均取为最大弯矩连梁调整前弯矩设计值的80%。首先，连梁弯矩设计值是包括竖向和水平两部分荷载所产生的内力的。竖向荷载产生的弯矩己通过负弯矩的调幅进行了调整。而且，竖向荷载作用下连梁的负弯矩也不能通过提高其他构件的弯矩来调整。因此，此处所说的弯矩调整不应该包括竖向荷载产生的弯矩在内。
其次，之所以允许对连梁的弯矩进行调整，是建立在连梁受弯达到一定程度时就会屈服。在己经对连梁的刚度进行了折减后，再对弯矩进行调整，势必使连梁的塑性铰提前发展。因此，对连梁的刚度已经充分折减时，弯矩的调整不宜过大。同样，当为风荷载控制时，在对连梁刚度进行折减后，连梁的弯矩设计值不宜再进行调整。
在进行塑性内力重分布时，平衡条件是必须满足的。但用提高其他部位连梁的弯矩来满足平衡条件是否合理，值得商议。假定除超筋的那些连梁外，其他所有的连梁和墙肢均未产生塑性铰。则由于墙肢一般有相当大的刚度，内力的重分布将由墙肢承担较大的比例。只有当墙肢屈服了，全部不平衡弯矩才会通过墙肢的轴力向上下层的连梁转移。而墙肢的屈服一般晚于连梁的屈服。因此，不应简单的将不平衡弯矩向连梁转移。同时，连梁弯矩的增加是伴随着剪力同时增加的。因此，在增大连梁的弯矩设计值时，也应同时增加连梁的剪力设计值。
1.3 关于个别连梁经过各种调整后仍然超筋的处理
剪力墙是一个多次超静定结构。个别构件或节点的破坏还不会影响整个结构的安全。所以，大部分设计者对个别连梁经过各种调整后仍然超筋的处理就是，按最大配筋率、最大配箍率把连梁配足，然后将不足的内力向墙肢转移。本人认为，不区别情况的处理是不妥的。如前所述，内力的转移是以结构的相应部位产生塑性铰为前提的。对连梁来说，要产生塑性铰，就必须符合“强剪弱弯”的条件。如果盲目的按最大配筋率把连梁的纵筋配足，可能会导致剪切破坏的产生。此时，连梁将较早就丧失其承载能力。这时，如果该连梁还有相当的竖向荷载作用，就会导致结构的部分倒塌。这是不能允许的。

2 连梁设计建议

（1）在内力和位移计算时，要区别竖向荷载作用下和水平荷载作用下两种不同情况。在竖向荷载作用下，连梁的刚度不宜折减，连梁支座弯矩的降低可以通过支座弯矩调幅来解决。在水平荷载作用下，连梁的刚度可以折减。当风荷载作用时，折减系数不宜小于0.8。当地震作用时，折减系数不应小于0.55。
（2）对于由风荷载控制的高层建筑，如果对连梁采取刚度折减后，仍发生连梁的正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够时，不宜再调整连梁的内力。而应采取前边所说的几种方法来降低连梁的内力，使连梁内力符合截面设计要求。
（3）对于地震作用控制的高层建筑，如果对连梁采取了刚度折减后，仍发生连梁的正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够时，则可区别不同情况，采取相应的措施:
如果只是部分连梁超筋或超限，则可采取调整连梁内力的方法来解决。调幅的幅度不宜大于20%，且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。不管是什么抗震等级，都应按连梁实配的纵向钢筋，并考虑超强因素后，反算出连梁的内力，在没有发生剪压比超限的情况下配置足够的箍筋。超筋或超限的连梁所不足的内力应在符合平衡条件下，按内力重分布的方法调整各层墙体和连梁的内力。如果结构的刚度较小，则不应再对其连梁的内力进行调整，而应采取增加剪力墙厚度或增加剪力墙的片数等方法，以减小连梁的内力，使之符合要求。
（4）地震区高层建筑的剪力墙连梁，在进行了上述调整后，仍有部分不符合承载力要求时，可取连梁截面的最大剪压比限值确定剪力。然后按“强剪弱弯”的要求，配置相应的纵向钢筋。此时，如果不能保证连梁在大震时的延性要求，应将这些连梁按铰接于剪力墙上考虑，重新计算整个结构。必要时，应做弹塑性时程分析。如果所讨论的连梁还承受较大的竖向荷载。则为了避免由于连梁端部的破坏造成结构的局部倒塌，应调整结构布置，使连梁的承载能力符合要求。
（5）高层建筑剪力墙连梁的设计受到很多因素的制约。连梁的内力与剪力的多少、每片剪力墙承担的水平力大小、连梁的刚度、与之相连的墙肢刚度等都有关。对抗震设计来说，除了验算在多遇地震时的截面承载力外，还应该考虑罕遇地震时的屈服性能。而内力的调整又与破坏机制密切相关。所有这些，都是在设计时应该综合考虑的。问题是复杂的，但设计时调整的自由度也是很大的。希望上述的这些理论和方法能够对设计人有所帮助，在设计时把这些互相制约的因素统一协调，取得比较完美的结果。

3 结语

高层建筑剪力墙结构中的连梁设计，常受到很多因素的制约，连梁的内力与结构抗侧力刚度、相连墙肢的刚度、连梁跨高比等因素有关。抗震结构还应考虑非弹性变形阶段，连梁是首先屈服的构件，应调整内力，避免剪力墙在弯曲屈服前出现剪切破坏，控制好结构最终形成延性破坏的措施。上述均需要结构设计人员在不断的分析、协调、总结的基础上，才能取得比较满意的结果。
 
参考文献：
[1] JGJ 3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S]．
[2] GB 50011—2001，建筑抗震设计规范[S]．
[3] 彭伟．高层建筑结构设计原理[M]．成都：西南交通大学出版社．2004．