浅析高层剪力墙延性连梁的设计

【关键词】剪力墙；延性连梁；超筋 

　　 近年来由于住宅需求的增加和用于建造住宅的土地供应紧张，高层住宅的建造成为众多开发商的首选，而剪力墙结构以其良好的抗震性能，在高层、超高层中得到愈来愈广泛的应用。在剪力墙结构中，连接墙肢与墙肢的梁称为连梁。连梁即起着调节和保证连肢墙侧向刚度的作用,又起着消耗地震能量的作用.静力和动力试验结果证明:连梁变形性能的改善能有效的改变结构的变形性能.在遭受强烈地震时,多数连梁在墙肢屈服前先屈服,发挥其塑形变形能力,耗散地震能量,有效减轻主体结构构件的破坏,使结构能达到抗震设防目标.寻找到一种既便于施工,又能保证剪切失效发生前在连梁达到较大位移时的有效连梁配筋的方法就成为结构设计须注意的重点. 

　　 1 剪力墙结构的破坏形式及连梁的破坏机理 

　　 众所周知混凝土结构的破坏可分脆性破坏和延性破坏两种，高层建筑剪力墙结构在水平力的作用下，同样分为脆性破坏（即剪切破坏）和延性破坏（即弯曲破坏）两种。 

　　 在风荷载和地震荷载作用下，墙肢产生弯曲变形，使连梁产生转角，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，改善了墙肢的受力状态。高层建筑剪力墙中的连梁在水平荷载作用下的破坏可分两种，即脆性破坏(剪切破坏)和延性破坏(弯曲破坏)。连梁在发生脆性破坏时就丧失了承载力，在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时，各墙肢丧失了连梁对它的约束作用，将成为单片的独立梁。这会使结构的侧向刚度大大降低，变形加大，墙肢弯矩加大，并且进一步增加P―Δ效应(竖向荷载由于水平位移而产生的附加弯矩)，并最终可能导致结构的倒塌。连梁在发生延性破坏时，梁端会出现垂直裂缝，受拉区会出现微裂缝，在地震作用下会出现交叉裂缝，并形成塑性绞，结构刚度降低，变形加大，从而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，使剪力墙保持足够的刚度和强度。在这一过程中，连梁起到了一种耗能的作用，对减少墙肢内力，延缓墙肢屈服有着重要的作用。但在地震反复作用下，连梁的裂缝会不断发展、加宽，直到混凝土受压破坏.因此强剪弱弯，连梁的屈服早于墙肢的屈服是连梁设计的两条根本原则，也是对延性连梁的处理的基本原则。 

　　 2 连梁设计时注意的问题 

　　 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，剪力墙的设计应该保证不发生剪切破坏，也就是要求墙肢和连梁的设计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。 

　　 因此在实际工程中要使连梁设计满足强剪弱弯的原则考虑以下几个方面： 

　　 2.1 关于连梁刚度的折减。连梁由于跨高比小，与之相连的墙肢刚度大等原因，在水平力作用下的内力往往很大，连梁屈服时表现为梁端出现裂缝，刚度减弱，内力重分布。因此在开始进行结构整体计算时，就需对连梁刚度进行折减。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第5.2.1条规定“在内力与位移计算中，抗震设计的框架-剪力墙或剪力墙结构中的连梁刚度可予以折减，折减系数不宜小于0.5。”同时在条文说明第5.2.1中 “高层建筑结构构件均采用弹性刚度参与整体分析，但抗震设计的框架-剪力墙或剪力墙结构中的连梁刚度相对墙体较小，而承受的弯矩和剪力很大，配筋设计困难。因此，可考虑在不影响其承受竖向荷载能力的前提下，允许其适当开裂（降低刚度）而把内力转移到墙体上。通常，设防烈度低时可少折减一些 (6、7 度时可取0.7) ，设防烈度高时可多折减一些 (8、9 度时可取 0.5)。折减系数不宜小于0.5，以保证连梁承受竖向荷载的能力。此调整方法考虑了梁端部的塑性内力的重分布，对于跨高比较大的连梁较好. 

　　 2.2 加连梁跨度减少高度。在连梁设计中，刚度折减后，仍可能发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够的情况，这时可以增加洞口的宽度，以减少连梁刚度。 

　　 2.3 增加剪力墙厚度。亦即增加连梁的截面宽度，其结果一方面由于结构整体刚度加大，地震作用产生的内力增加，另一方面连梁的受剪承载力与宽度的增加成正比。由于该片墙厚增加以后，地震所产生的内力并不按墙厚增加的比例分配给该片剪力墙，而是小于这个比例，因此有可能使连梁的受剪承载力不超限。 

　　 2.4 连梁铰接处理 

　　 连梁经过刚度折减调整后，仍不能满足要求时，可根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.2.25.3条规定“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。”即假定连梁大震下破坏，不能约束墙肢 因此可考虑连梁不参与工作，而按独立墙肢进行二次结构内力分析。这种情况往往使墙肢的内力及配筋加大，以保证墙肢的安全。此方法所调整连梁为其破坏对承受竖向荷载无明显影响的连梁，即该连梁不作为次梁或主梁的支承梁；本次调整为第二次调整，是在连梁刚度折减失效后采用的方法；同时在实际操作中，经常会出现将某根超筋连梁进行铰接处理后，引起其他位置原来不超筋的连梁超筋。 

　　 2.5 其他方法 

　　 连梁还可以通过在连梁内增设暗撑和交叉钢筋来抵抗剪力。 

　　 3 结语 

　　 高层建筑剪力墙连梁的设计受很多因素的制约。连梁的内力和剪力墙的多少、每片剪力墙的水平力大小、连梁的刚度、与之相连的墙肢刚度等都有关。因此在设计时，问题是比较复杂的，设计时要把互相制约的因素统一协调，以取得比较理想的结果。因此无论采用哪一种解决方法，都要遵循“强剪弱弯”、“ 强墙弱梁”的原则，保证连梁的耗能作用，确保剪力墙在大震作用下不倒，整体结构的安全。 

　　 参考文献 

　　 [1]《高层建筑混凝土技术规程》(JGJ3-2002) 北京：中国建筑工业出版社，2002. 

　　 [2]《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010) 北京：中国建筑工业出版社，2010.