墙结构连梁设计要点,并结合本人多年从
事工程设计经验,谈谈对高层建筑剪力墙
结构连梁设计中遇到的一些问题的处理和
思考。
【关键词】高层 ;剪力墙 ;连梁
一、引言
在剪力墙结构和框架—剪力墙结构中,
连接墙肢与墙肢,墙肢与框架柱的梁称为
连梁。连梁一般具有跨度小、截面大,与
连梁相连的墙体刚度又很大等特点。一般
在风荷载和地震荷载的作用下,连梁的内
力往往很大。此外,高层建筑中,由于连
梁两端墙肢的不均匀压缩,会引起连梁两
端的竖向位移差,这也将在连梁内产生内
力。在设计时,即使采取降低连梁内力的
各种措施,如 :增大剪力墙的洞口宽度在
连梁中部开水平缝在计算内力和位移时对
连梁刚度进行折减对局部内力过大层的连
梁进行调整等,仍难使连梁的设计符合要
求。基于这种情况,下面将提供连梁设计
的几个建议,并且讨论连梁设计时的配筋
计算。
二、连梁的工作和破坏机理
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,
并形成塑性铰,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。
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,连梁不应该产生塑性铰。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。根据抗震设计规范
总则的要求,建筑物在遭受低于本地区设
防烈度的多遇地震影响时,一般不损坏或
不需修复仍可使用,当遭受高于本地区设
防烈度的罕遇地震时,不致倒塌或发生危
及生命的严重破坏。
三、设计的建议
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就必须考虑以下
几个方面 :
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 4.1.7 条规定 :“在内力与位移计算中,
所有构件均可采用弹性刚度,在框架—剪
力墙结构中,连梁的刚度可予以折减,折
减系数不应小于 0.55。”一般在实际设计中
我们在 0.55~1 之间取值,以符合截面设计
的要求。
2、增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。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。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。调整的幅度不宜大于 20%,且
连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。
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。
4、提高混凝土等级
混凝土等级提高后,结构的地震作用
影响增加的比例远小于混凝土受剪承载力
提高的比例,有可能使连梁的受剪承载力
不超限。
5、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,应重新计算
整个结构,必要时调整结构布置,使连梁
的承载力符合要求。
上述各种措施中,在能满足整体刚度
的情况下,可先采用刚度折减,如仍超限
可采用其余各种措施。
四、连梁的配筋计算
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》,
在连梁设计方面,对于连梁非抗震设计,
抗震设计时跨高比大于 2.5 及小于 2.5 两种
情况,在截面受剪承载力及配筋方面均有
不同规定。
在结构计算时这类连梁往往发生受剪
承载力的超限,这时可以将受力筋均匀布
置,同时考虑到连梁以承载水平荷载为主,
支座弯矩主要由水平荷载引起,在反复的
水平荷载作用下支座截面上、下受拉筋面
积相近,可以采用截面对称配筋。在连梁
配筋中,配置平行筋往往导致斜向受拉破
坏或由于箍筋过量而发生剪切滑移破坏,
这些破坏将导致连梁的滞回曲线变坏,耗
能能力下降。若采用菱形配筋方式,可以
克服这些不足之处。
五、小结与展望
本文通过具体的工程设计经验,在对
连梁设计过程中应注意的问题并结合设计
规范给出了自己的看法和见解。我国的高
层建筑自改革开放以来已有 30 年的历史,
并在设计和施工中积累了不少经验,随着
经济技术的进一步发展,高层的形式和种
类都将有更多形式的出现,对设计技术的
要求也必将更加精细。
参考文献
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