不同配筋短連梁地震作用下的力學性能研究概論

鄭愛武 權百良

1西安工業大學 陜西西安 710021；2建筑工程學院 陜西西安 710021

摘要：短連梁也稱為小跨高比連梁，目前在進行小跨高比剪力墻連梁的抗震設計中，為防止連梁過早發生剪切破壞，通常在梁內配置交叉斜向鋼筋，使其延性能力能夠達到地震作用時剪力墻對連梁的延性需求。本文介紹了連梁內斜筋的3種不同布置形式，研究了試驗模擬短連梁地震作用下的基本原理和力學性能。

關鍵詞：交叉斜向鋼筋；短連梁；地震作用

前言

隨著我國高層建筑的增多，為了更加有效地提高其抵抗地震的能力，保證結構的使用安全，短連梁出現在建筑剪力墻抗震設防的重要部位，是地震作用下的第一道防線。在傳統的短連梁配筋方案中，主要為單純布置橫向水平箍筋，但汶川地震后建筑損毀情況分析發現承載剪切沖擊力的短連梁在未達到延性破壞之前先出現沿梁四角向中心的脆性剪切破壞，使建筑物過早失去結構功能而發生倒塌；近年，國內外實驗研究發現在短連梁受力比較復雜，不同于一般的受彎構件，在其內配置交叉斜向鋼筋能有效承擔剪力。本文主要研究了在小跨高比梁內通過布置3種不同形式的交叉斜向鋼筋，通過分析對比來研究其力學性能及耗能能力。

1 短連梁構造

1.1 交叉斜向鋼筋布置形式

1.1.1 交叉斜向鋼筋配置方式一

對角暗撐配筋，沿連梁對角線斜向放置鋼筋，形成兩組相互交叉的鋼筋，每組鋼筋均采用矩形箍筋或螺旋箍筋綁成一體（圖1）。這種構造方式的配筋基本要求是：（1）剪力墻連梁截面寬度不宜小于400mm。（2）全部剪力應由交叉斜向鋼筋承擔，每組沿連梁對角線放置的鋼筋應至少由4根鋼筋組成，鋼筋直徑不應小于14mm。（3）沿連梁對角線放置的每組鋼筋應設置箍筋，兩組鋼筋交叉點處箍筋應對全部交叉鋼筋約束并宜適當加密間距。箍筋外皮尺寸，在平行于梁寬度bw方向應不小于bw/2，在平行于梁高方向不應小于bw/5于100mm中較大值。（4）連梁全截面僅需沿周邊配置普通箍筋?？拐鹪O計時，沿連梁周邊配置的普通箍筋和腰筋，在其各個方向的全部面積不應小于0.002bws（bw為連梁腹板寬度，s為箍筋間距或腰筋間距）。

圖1.對角暗撐配筋

1.1.2交叉斜向鋼筋配置方式二

集中對角斜筋配筋：沿連梁對角線斜向放置鋼筋，形成兩組相互交叉的鋼筋，每組鋼筋均未設置矩形箍筋或螺旋箍筋（圖2）。其配筋符合下列幾個要求：（1）剪力墻連梁截面寬度不宜小于350mm。（2）全部剪力墻應由交叉斜向鋼筋承擔，每組沿連梁對角線放置的鋼筋應至少由4根鋼筋組成，鋼筋直徑不應小于14mm。

（3）連梁全截面箍筋（拉筋）的直徑、肢距和間距不應低于現行規范關于連梁箍筋配置要求。連梁兩側腰筋的面積不應小于0.002bws，腰筋間距不應大于200mm。

圖2.集中對角斜筋配筋

1.1.3交叉斜向鋼筋配置方式三

連梁頂部和底部縱向鋼筋在連梁跨度中點兩側分別交叉彎折并在跨中鋼筋交錯排列呈菱形狀（圖3），如圖：

圖3.交叉斜筋配筋

（1）剪力墻連梁截面寬度，在連梁橫截面兩側設置彎折鋼筋時，不宜小于300mm。（2）彎折鋼筋直徑不應小于12mm。（3）連梁全截面箍筋（拉筋）的肢距和間距不應低于現行規范關于連梁箍筋配置的構造要求，箍筋（拉筋）直徑宜比構造要求的最小直徑適當加大，連梁兩側腰筋的面積不應小于0.002bws，腰筋間距不應大于200mm。

1.2 連梁截面剪力設計值

小跨高比連梁，其截面剪力設計值可分為永久、短暫設計狀況和地震設計狀況兩種。集中對角斜筋配筋連梁，交叉斜筋配筋連梁、對角暗撐配筋連梁三種配置鋼筋形式不同的短連梁在地震設計狀況下其截面剪力設計值確定原則相同。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》中關于剪力墻結構設計的相關規定，地震設計狀況下總結出跨高比不大于2.5的連梁相關剪力設計值參考公式，如下：

1.3 連梁的斜截面受剪承載力

小跨高比連梁的斜截面受剪承載力地震設計狀況下相關計算參考公式如下：

2.短連梁分析

2.1 分析方法

現行的對于鋼筋混凝土梁的相關性能分析方法多種多樣，相對來說，有限元軟件ANASYS和ABAQUS或者PKPM和SAP2000來都可以比較完美的建立需要的模型，并能夠在模型上加載地震作用下剪力墻連梁的受力荷載等，軟件自動顯示出受力后連梁的狀態和相關參數，方便與其他資料進行參考對比，如與試驗對比，則能大大提高試驗的準確性，并為試驗提供一些新的思路。

2.2 模型選擇

利用計算機軟件ANASYS來建立鋼筋混凝土剪力墻連梁模型來分析小跨高比連梁在地震作用下的力學特性，多次調整變量獲得結果，這樣比較利于操作、方便快速、經濟合理，與土木工程學科的科學研究精神相互吻合。

2.3 實驗原理及數據處理

由于三種短連梁的配筋形式不同，若想要得出有對比性的結論數據，可以控制使連梁內配筋率相同來進行分析，產生數據，進行分析，則可以達到對不同配筋形式短連梁在地震作用下的性能研究的目的，邏輯清晰，結構層次明確。

利用計算機軟件建立好三種小跨高比連梁模型之后，不同交叉斜向配置形式的鋼筋采用桿單元嵌入在混凝土模型中，模擬地震作用的受力情況對模型進行自動計算分析，得出短連梁的彎曲、形變、延性、截面剪力和斜截面受力情況，同時，軟件還可對短連梁的進行裂縫檢測，并生成模擬數據，然后根據這些數據結合規范及有關公式進行計算、繪制圖表、得出結論。

結論

（1）采取不同的配筋方式，連梁達到所需延性時能承受的最大剪壓比是不同的；（2）短連梁承受不斷重復的剪切荷載時，三種配筋方式相比，方式一與方式二試驗結果幾乎沒有差異，方式三破壞沒有前者明顯；（3）三種配筋方式在耗能方面區別的區別是可以忽略不計的；（4）配筋方式二相比配筋方式一相對來說便于施工；交叉斜向鋼筋配置方式三與前面兩種配筋方式相比，施工方便、快速，軟件模擬也更加便捷；（5）交叉斜向鋼筋配置方式三與前面兩種配筋方式相比，同樣體積配筋率時強度偏低，但其在轉角延性方面具有顯著的優勢，交叉斜向鋼筋配置方式三避免了發生對角線爆裂裂紋的剪切破壞。

參考文獻：

[1] GB50010-2010混凝土結構設計規范 [S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規程 [S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3] 建筑抗震設計規范GB50011-2010 [S].北京：中國建筑工業出版社，2010.