高层剪力墙结构连梁设计的探讨

【关键词】剪力墙结构；连梁破坏；连梁设计 

　　一、剪力墙和连梁在地震作用下的破坏形式 

　　剪力墙结构中的连梁受到弯矩、剪力和轴力的共同作用，在风荷载和地震力作用下（主要是地震力作用），墙肢产生弯曲变形，使连梁两端的弯矩方向相反，从而使连梁产生内力；同时连梁端部的弯矩、剪力和轴力又反过来减少了墙肢的内力和变形，对墙肢起到了一定的约束作用。高层建筑联肢墙在水平力作用下的破坏分为脆性破坏（即剪切破坏）和延性破坏（即弯曲破坏）两种。联肢墙的脆性破坏又可分为两种情况：一种是脆性破坏发生于墙肢。墙肢由于抗剪能力不够而发生剪切破坏，会使剪力墙很快丧失承载能力。造成结构的突然倒塌。这是设计所应该绝对避免的。抗震规范里规定了抗震墙截面的剪压比限值和抗震等级为一、二级时抗震墙底部加强部位剪力设计值的放大系数，就是为了防止剪力墙早于弯曲破坏而发生剪切破坏。脆性破坏的第二种情况是连梁发生剪切破坏。连梁发生剪切破坏会使联肢墙各墙肢丧失连梁对墙肢的约束作用。在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时，联肢墙的各墙肢将成为单片的独立墙，这会使结构的侧向刚度大大降低，墙肢弯矩加大。抗震规范里规定了连梁截面的剪压比限值和抗震等级为一、二级时连梁端部剪力设计值的调整系数，也是为了防止连梁早于弯曲破坏发生剪切破坏。但是，和第一种墙肢发生剪切破坏相比，连梁发生剪切破坏时结构尚未丧失承载能力，在墙肢破坏前，只要所考虑的连梁不承担较大的竖向荷载，还不会造成结构的倒塌。 

　　剪力墙的延性破坏也可分为两种情况：一种是连梁不屈服，墙肢首先发生弯曲破坏，这种墙在破坏时的极限变形较小。因此，对有抗震设防要求的建筑来说，它虽然是一种延性破坏，但吸收地震能量的能力是较低的。设计中应避免这种情况的发生。延性破坏的第二种是连梁先屈服，最后是墙肢的屈服。当连梁有足够的延性时，它能通过塑性铰的变形吸收大量的地震能量。同时，通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力，对墙肢起到一定的约束作用，使联肢墙保持足够的刚度和强度。这是设计时应首先考虑做到的。为了保证联肢墙的延性要求，对连梁的延性要求是非常高的。因此，在设计高层建筑剪力墙时，必须十分注意保证连梁的延性要求。 

　　二、连梁设计中的几个问题 

　　在墙肢和连梁的协同工作中，剪力墙应该具有足够的刚度和强度。在正常的使用荷载和风荷载作用下，结构应该处于弹性工作状态，连梁不应产生塑性铰。在地震作用下，结构允许进入弹塑性状态，连梁可以产生塑性铰。因此，墙肢和连梁的设计应符合强剪弱弯的原则，同时要求连梁的屈服要早于墙肢的屈服，而且要求墙肢和连梁具有良好的延性。使连梁设计满足强剪弱弯的原则可以考虑以下几个方面： 

　　1.采用适当的截面形式，合理控制连梁的跨高比。跨高比的大小决定连梁变形能力的大小，一般认为当连梁跨高比大于2时，连梁具有较好的变形能力。同时为保证连梁对墙肢的有效约束，连梁应具备足够的承载力，连梁截面高度也不宜小于400mm。对于带水平缝连梁，为使上下截面具有相同的变形能力，其截面尺寸宜相同，且高度不宜小于300mm。带水平缝连梁可以有效增大连梁跨高比，同时连梁的承载力不但没有降低，而且其变形能力和耗能能力均有大幅度提高，是一种比较理想的水平耗能构件。 

　　2.考虑翼缘板内钢筋对连梁弯曲承载力的增大作用。这是一个很容易被忽视的问题，但它会使连梁由设计意愿的“强剪弱弯”构件变为实际的“强弯弱剪”构件，从而使连梁由延性的弯曲破坏变成脆性的剪切破坏。因此，应根据连梁翼缘板内的配筋情况，调整连梁的纵筋配置，使连梁两向弯曲承载力相等或接近，而不应简单地采用习惯上的连梁截面上下对称配筋。 

　　3.合理控制连梁配筋，对于剪力墙结构中的超筋、超限连梁，相当一部分设计人员简单地认为，在不超过最大配筋率的情况下将连梁钢筋尽可能配大一些是有利的，实际上这是一种错误的看法。这不但不经济，而且对建筑物抗震也是有害的。合理的最大配筋应由连梁截面最大剪力设计值控制。 

　　4.刚度折减和减小高度：连梁由于跨高比小，而与之相连的墙肢刚度较大，最水平力作用下的内力往往很大，因此在进行结构整体计算时，需要对连梁刚度进行折减。《高规》第5.2.1规定，连梁刚度折减系数不宜小于0.5。通常，设防烈度低时可以少折减，6度、7度时可以取0.7，8度、9度时可取0.5。也可在内力计算后再将连梁弯矩和剪力进行折减。刚度折减后，仍可能发生连梁受弯或受剪承载力不够的情况，这时可以增加洞口的高度，以减少连梁刚度。减少了结构的整体刚度，也就减少了地震作用的影响，使连梁的承载力有可能不超限。 

　　5.连梁的塑性调幅：如果只是部分连梁超筋或超限，则可采取调整连梁内力来解决，调整的幅度一般不宜大于20%。《高规》第7.2.26条第2款指出抗震设计的剪力墙中连梁弯矩及剪力可进行塑性调幅，以降低其剪力设计值。连梁调幅后的弯矩和剪力设计值都不应低于使用状况的值，也不宜低于比设防烈度低1度的地震组合所得的弯矩设计值，以避免在正常使用状况或小震 作用下连梁开裂。 

　　6.对个别连梁采用多道设防方法：对于连梁经过各种调整后仍然超筋时，可以假定连梁大震下破坏，不能约束墙肢，这时可考虑剪力墙的第二道防线。《高规》7.2.26条第3款指出当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时，可考虑在大震作用下该连梁不参与工作，按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下结构内力分析，墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋设计。这时情况会使墙肢的内力加大，以保证其安全。 

　　7.构造措施：由于连梁的跨高比都较小，容易出现剪切斜裂缝，除了采取减小其名义剪应力，加大箍筋配置的措施外，《高规》7.2.27条还规定了钢筋锚固、箍筋加密区范围、腰筋配置等特殊要求。对于跨高比小于2的连梁，对剪切变形更加敏感，此时普通的抗剪设计会导致梁的斜拉破坏，不利于结构的能量耗散。为了使这类连梁达到一定程度上的有限延性，可通过附加斜向交叉钢筋，使得连梁能够承受较大的变形。 

　　三、结语 

　　分析各种震害后所总结的结构设计经验告诉我们，要设置多道抗震防线，即强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件，这样剪力墙连梁即可充当剪力墙结构的抗震防线。因此，合理的刚度对结构的安全、经济性影响重大，应通过结构分析比较，综合考虑多方面因素对连梁的变形能力、破坏形式和耗能能力的影响，并在保证延性的同时合理控制连梁刚度。 

　　参考文献： 

　　[1] 建筑抗震设计规范（GB50011-2010）中国建筑工业出版社 2010 北京. 

　　[2] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）中国建筑工业出版社 2011北京. 

　　[3] 混凝土结构设计规范（GB50010-2010）中国建筑工业出版社2011北京. 

　　[4] 建筑抗震设计规范应用与分析 朱丙寅 中国建筑工业出版社 2011北京.