高層建筑連梁設(shè)計(jì)探討

林 雪

(福建眾合開發(fā)建筑設(shè)計(jì)院 福建福州 350004 )

高層建筑連梁設(shè)計(jì)探討

林 雪

(福建眾合開發(fā)建筑設(shè)計(jì)院 福建福州 350004 )

本文分析了高層建筑中連梁的受力性能和破壞機(jī)理，介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中連梁按“強(qiáng)墻弱梁” “強(qiáng)剪弱彎”進(jìn)行設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，并提出了連梁超限問題的處理方法。

連梁;強(qiáng)剪弱彎;彎矩可塑性調(diào)幅;剛度調(diào)整

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引 言

剪力墻是一種抵抗側(cè)向力的結(jié)構(gòu)單元。連梁是指兩端與剪力墻在平面內(nèi)相連的梁。剪力墻必須依賴各層樓板作為支撐，保持平面外的穩(wěn)定。在地震荷載的作用下由于剪力墻平面內(nèi)剛度很大，會吸收很大地震剪力，連梁與剪力墻平面內(nèi)相連傳遞墻與墻之間的內(nèi)力。剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁對剪力墻的作用非常大。

1 連梁的工作原理

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，連梁一般承受由樓板傳遞的豎向荷載與風(fēng)荷載或地震作用引起的水平荷載，但豎向荷載對小跨高比連梁的破壞形態(tài)并不起主要作用。通常情況下，剪力墻在水平荷載作用下墻肢底部所受彎矩最大，整個結(jié)構(gòu)呈彎曲變形為主，受拉墻肢與受壓墻肢的變形的不一致直接造成連梁的兩端產(chǎn)生反向相對變形，所以連梁承受了比較大的剪力，它將兩端墻肢連接起來，此種雙肢剪力墻的受力特點(diǎn)與連梁的跨高比、連梁與墻肢的剛度比有直接的聯(lián)系，一般情況下，破壞時首先出現(xiàn)在中間樓層處的連梁與剪力墻連接部位。隨著荷載的增加，其他層連梁端部相繼屈服。

圖1 連梁的變形和裂縫

連梁在水平荷載作用下會產(chǎn)生彎曲破壞和剪切破壞。剪切破壞是一種脆性破壞，當(dāng)連梁的跨高比較小(<5)時，破壞時容易出現(xiàn)剪切斜裂縫，如果部分連梁剪切破壞或全部剪切破壞，則墻肢間的約束將削弱或全部消失，聯(lián)肢剪力墻蛻化成多個獨(dú)立墻肢。結(jié)構(gòu)的剛度會大大降低，承載力也隨之降低，并最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌。彎曲破壞是一種延性破壞，當(dāng)連梁的跨高比較大(≥5)時，破壞時梁端會出現(xiàn)垂直裂縫，地震作用時會出現(xiàn)交叉裂縫，在結(jié)構(gòu)受到往復(fù)的地震力作用時，耗能能力較強(qiáng)的連梁可以通過自身的逐步破壞，消耗較大的地震能量，縱向鋼筋屈服，砼被壓碎從而形成塑性鉸，塑性鉸能夠傳遞彎矩和剪力繼續(xù)起到約束墻肢的作用，逐步降低結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，確保其他更重要的豎向承載構(gòu)件的安全。跨高比較大的連梁在地震作用下，其塑性鉸的發(fā)展更加充分，轉(zhuǎn)動能力也更強(qiáng)。在同等條件下，跨高比較大的連梁具有更好的耗能能力。

2 連梁的設(shè)計(jì)計(jì)算

剪力墻中的連梁受彎矩、剪力、軸力共同作用。由于軸力較小通常忽略，按普通受彎構(gòu)件的抗彎承載力公式進(jìn)行計(jì)算。地震工況連梁的斜截面受剪承載力應(yīng)符合：

a.跨高比大于2.5的連梁

(1-1)

b.跨高比不大于2.5的連梁

(1-2)

連梁通常根據(jù)小震彈性，中震屈服的原則按“強(qiáng)墻弱梁” “強(qiáng)剪弱彎”進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其作為抗震耗能的第一道防線。為避免墻肢不過早的出現(xiàn)脆性的剪切破壞，應(yīng)設(shè)計(jì)延性的墻肢和延性的連梁，使連梁屈服早于墻肢屈服。要使連梁具有延性，抗震設(shè)計(jì)中連梁的設(shè)計(jì)剪力應(yīng)等于或大于構(gòu)件彎曲時實(shí)際達(dá)到的剪力。

抗震規(guī)范在縱向受力鋼筋不超過計(jì)算配筋10%的前提下將承載力不等式轉(zhuǎn)為內(nèi)力設(shè)計(jì)表達(dá)式。不同抗震等級采用不同的剪力增大系數(shù)，使“強(qiáng)剪弱彎”的程度有所差別。該系數(shù)同時考慮了材料實(shí)際強(qiáng)度和鋼筋實(shí)際面積這兩個因素的影響。梁端截面組合的剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)按下式確定。

a.一、二、三級剪力墻的連梁按下式調(diào)整。

(2-1)

b.9度時一級剪力墻的連梁按下式調(diào)整。

(2-2)

連梁按求得的設(shè)計(jì)剪力配置箍筋，抗震設(shè)計(jì)的連梁的箍筋加密布置可以起到約束砼，延緩砼剪壓擠碎的作用。當(dāng)梁高較大時容易出現(xiàn)剪切斜裂縫，為防止斜裂縫出現(xiàn)后發(fā)生脆性破壞，在構(gòu)造上應(yīng)增加水平腰筋。

另一方面，根據(jù)試驗(yàn)及相關(guān)資料，連梁的延性性能和截面的剪壓比有關(guān)。剪壓比越高，延性越小。為了不使斜裂縫過早出現(xiàn)，砼過早開裂，要控制連梁的截面尺寸及砼的強(qiáng)度等級。因此規(guī)范對小跨高比的連梁的截面平均剪應(yīng)力及斜截面受剪承載力提出了要求。

地震工況連梁截面剪力設(shè)計(jì)應(yīng)符合：

a.跨高比大于2.5的連梁

(3-1)

b.跨高比不大于2.5的連梁

(3-2)

3 連梁超限問題的處理方法

高層建筑在水平力作用下連梁的內(nèi)力很大。連梁在抗震計(jì)算中會出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，一般均是連梁截面不滿足剪壓比的限值。下面介紹幾種常用的方法供大家參考。

3.1 連梁剛度折減

根據(jù)高規(guī)5.2.1條規(guī)定，在重力荷載、風(fēng)荷載作用效應(yīng)計(jì)算時不宜考慮連梁剛度折減，在地震作用效應(yīng)組合工況時，可按設(shè)防烈度對連梁剛度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p。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。對于跨高比較大(≥5) 、重力作用效應(yīng)比水平風(fēng)或水平地震作用效應(yīng)更明顯的連梁，應(yīng)慎重考慮剛度的折減問題，以控制正常使用階段裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

3.2 連梁的彎矩可塑性調(diào)幅

若連梁彎曲裂縫對正常使用沒有很大的影響且超限連梁數(shù)量不是很多時，可以按概念設(shè)計(jì)方法對連梁承受的內(nèi)力和配筋進(jìn)行再調(diào)整，使調(diào)整后的連梁首先滿足截面剪壓比的條件，同時限制受彎鋼筋量使連梁的抗彎承載力維持在一定水平，滿足強(qiáng)剪弱彎的條件。一般情況下，調(diào)幅后的彎矩不小于調(diào)幅前按剛度不折減計(jì)算的彎矩的80%(6～7度)和50%(8～9度)，并不小于風(fēng)荷載作用下的連梁彎矩。連梁調(diào)幅后的彎矩、剪力設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于使用狀況下的值，也不宜低于比設(shè)防烈度低一度的地震作用組合所得的彎矩、剪力設(shè)計(jì)值，其目的是避免在正常使用條件下或較小的地震作用下在連梁上出現(xiàn)裂縫。

當(dāng)部分連梁降低彎矩設(shè)計(jì)值后，其余部位的連梁和墻肢的彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)相應(yīng)提高，對框架部分內(nèi)力值也應(yīng)相應(yīng)提高。(已按第1點(diǎn)進(jìn)行剛度折減的連梁，其彎矩值不宜再調(diào)幅，或限制再調(diào)幅范圍)

1)跨高比不大于2.5的連梁聯(lián)合1-2、3-2式可得

2)跨高比大于2.5的連梁，聯(lián)合1-1、3-1式可得

根據(jù)全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施結(jié)構(gòu)(2009年版)附錄B為方便使用，箍筋配筋率ρsv可根據(jù)對應(yīng)的砼強(qiáng)度、鋼筋級別直接查得。縱筋計(jì)算系數(shù)可根據(jù)對應(yīng)的鋼筋規(guī)格直接查得。以上方法計(jì)算還需滿足最小配筋率的要求。

對截面和配筋設(shè)計(jì)主要由平時概況(風(fēng)荷載)控制的連梁，不宜采用此方法調(diào)整，以避免正常使用中發(fā)生較大裂縫。另當(dāng)超限的連梁較多時，也不宜采用上述方法。

3.3 調(diào)整連梁的剛度

可采用減小連梁截面高度、增加連梁的跨度及設(shè)置雙連梁來達(dá)到減小連梁剛度，減小地震力作用的影響，使連梁有可能不超限。也可采用增設(shè)剪力墻的扶壁柱，使連梁寬度相應(yīng)增加，此時連梁受剪承載力加大，使連梁不超限。

3.4 連梁的鉸接處理

當(dāng)連梁破壞對承受豎向荷載無明顯影響時，可將連梁兩端鉸接按獨(dú)立墻肢進(jìn)行第二次多遇地震下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。假定連梁在大震下剪切破壞，不再能約束墻肢，這時剪力墻的內(nèi)力和配筋會加大，墻肢截面按兩次計(jì)算的較大值配筋。第二道防線的計(jì)算沒有剪力墻的約束作用，結(jié)構(gòu)位移會加大，按高規(guī)要求可不必按小震作用限制其位移。

3.5 連梁配置斜向交叉鋼筋

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第11.7.10條中規(guī)定，對于一、二級抗震等級的連梁，當(dāng)跨高比不大于2.5時，可另配置斜向交叉鋼筋。新版本的PKPM增加了此功能，可按規(guī)范要求根據(jù)不同的截面寬度設(shè)置交叉斜筋和對角暗撐(計(jì)算結(jié)果如下圖)。此方法對解決寬度大于250mm的連梁的剪壓比超限問題是有效，如框架-核心筒結(jié)構(gòu)的外框筒位置連梁的超筋。但因連梁配筋較多且密，需嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

圖2 連梁配筋示意圖

4 工程實(shí)例

福州地區(qū)某32層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，建筑總高度93.1m。地震烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g,場地類別Ⅲ類，特征周期0.65,剪力墻抗震等級為二級。因建筑樓電梯設(shè)置及戶型采光通風(fēng)等原因，造成建筑平面比較狹長且有較大的凹入和開洞，剪力墻的布置受建筑布局影響較大。調(diào)整前標(biāo)準(zhǔn)層平面及計(jì)算配筋如下圖：

圖3 調(diào)整前六層結(jié)構(gòu)平面圖

圖中所示5處位置均為連梁超筋，設(shè)計(jì)計(jì)算中采用不同方法調(diào)整如下：

(1)編號①位置連梁僅在6～9層剪壓比超限，連梁能滿足正常使用下承載力要求，可以按方法2對連梁的彎矩可塑性調(diào)幅。根據(jù)全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施結(jié)構(gòu)(2009年版)附錄B，先查得箍筋配筋率及縱筋計(jì)算系數(shù)后再根據(jù)截面大小進(jìn)行連梁配筋。

(2)編號②位置連梁由于跨度小，地震力作用大，剪壓比超限。采用方法3，在門邊設(shè)置300寬壁柱，連梁寬度相應(yīng)增加為300,使其受剪承載力加大，調(diào)整后連梁不超限。

(3)編號③位置連梁采用方法3，在總體計(jì)算指標(biāo)滿足規(guī)范要求的前提下，調(diào)整兩側(cè)的剪力墻長度，增大連梁的跨度，減小連梁剛度及地震力作用使其不超限。

(4)編號④位置的1400高的梁，可采用方法3在梁中部設(shè)置水平縫形成500和800高的雙連梁(新版SATWE軟件增加了此功能)。雙連梁可各自獨(dú)立工作，按照各自的剛度分擔(dān)內(nèi)力，獨(dú)立配筋滿足抗彎、抗剪承載力要求。水平縫采用聚苯板或非承重砌塊填塞，隔開上下梁。

(5)編號⑤位置，因建筑采光要求，造成平面有較大的凹入。采用方法4將連梁兩端鉸接，進(jìn)行第二次多遇地震下的結(jié)構(gòu)計(jì)算，由于凹口兩側(cè)的剪力墻間距較小，計(jì)算結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)周期及位移指標(biāo)小幅度增大但仍滿足規(guī)范要求，施工圖設(shè)計(jì)時對此處的墻、梁均采用包絡(luò)配筋。下圖為調(diào)整后標(biāo)準(zhǔn)層平面及計(jì)算配筋：

圖4 調(diào)整后六層結(jié)構(gòu)平面圖

5 結(jié)語

高層建筑中為避免墻肢不過早的出現(xiàn)脆性的剪切破壞，應(yīng)設(shè)計(jì)延性的墻肢和延性的連梁，使連梁屈服早于墻肢屈服。連梁在抗震計(jì)算中會出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，一般均是連梁截面不滿足剪壓比的限值。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)采用各種方法反復(fù)調(diào)整進(jìn)行試算，達(dá)到延性設(shè)計(jì)和耗能性能的良好統(tǒng)一。

[1]GB 50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]JGJ3-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4]全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施, 結(jié)構(gòu)(混凝土結(jié)構(gòu)).

Discussion on the design of connecting beams in high-rise building

LINXue

( Fujian Zhonghe Development Architectural Design Institute,Fuzhou 350004 )

This paper analyzes the mechanical performance and failure mechanism of connecting beams in high-rise buildings, introduces the calculation method for the structure design of connecting beams according to the "strong wall and weak beam"and"strong shear and weak bending", and proposes treatment method for transfinite problem of connecting beams.

Connecting Beams；Strong Shear and Weak Bending Capacity； Amplitude Modulation of Bending Moment Plasticity；Stiffness Adjustment

林雪(1972- )，女，高級工程師。

2015-06-19

TU3

A

1004-6135(2015)09-0049-04