高層建筑剪力墻結構連梁的設計探討

摘 要：本文很據(jù)新疆當?shù)亟ㄖY構中的剪力墻設計實例，結合自身在建筑設計院多年的工作經(jīng)驗，對一般剪力墻結構進行了分析計算，對連梁的剛度折減系數(shù)進行了探討，并對連梁的結構形式提出了幾條設計建議，為建筑工程設計提供參考[1]。

關鍵詞：高層建筑；剪力墻；連梁設計；折減系數(shù)；超限

引 言

剪力墻結構中的連梁是指在一般剪力墻結構中，跨高比小于5而且兩端與剪力墻相連接的梁。連梁分為無交叉暗撐及交叉鋼筋連梁、有交叉暗撐連梁、交叉鋼筋連梁三種。連梁是剪力墻結構中的一個重要結構件，有關剪力墻結構中連梁的設計，需要考慮很多因素的影響，連梁設計的科學性，將直接關系到剪力墻的安全性能，因此如何科學合理的設計連梁結構，需要進行系統(tǒng)的分析研究[2]。

1 連梁的研究現(xiàn)狀

結合剪力墻自身的受力情況，導致連梁的彎矩及剪力都很大，極容易導致連梁超限。連梁超限主要體現(xiàn)在兩個方面，其一就是抗剪截面超限，其二是受彎超限。目前國內(nèi)外學者總結了連梁的各種配筋形式，通過試驗去研究一種能夠提高連梁的抗剪承載能力，解決連梁超限的配筋形式。上世紀六十年代，新西蘭著名學者T.Paulay和J.R.Binney提出了配置對角斜筋的小跨高比連梁配筋方式，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)在對對角斜筋加強約束的情況下，連梁結構穩(wěn)定，從而維持截面的剛度和整體性。意大利佛羅倫薩大學的L.Galano和A.Vignoli對普通配筋、簡單對角斜筋、對角交叉暗柱、菱形配筋四種配筋形式進行了對比試驗，從而得出菱形配筋連梁具有較好的受力性能的結論。我國戴瑞同教授也對上述菱形配筋梁進行了受力分析實驗，得出了菱形配筋梁優(yōu)于普通配筋梁的類似結論。

2 一般剪力墻結構體系

2.1 工程實例分析[3]

新疆石河子市的抗震設防烈度為8度，本文針對本市常見的一般剪力墻結構進行分析。位于石河子市某小高層住宅區(qū)，地上建筑共十二層，地下一層，總高度36m，層高2.9m，建筑結構安全等級為2級。根據(jù)新疆某勘察設計院所提供的現(xiàn)場地質(zhì)特征以及對結構荷載的計算，該工程采用鋼筋混凝土板式筏板基礎，并對地基進行加固。本結構中采用一般剪力墻結構，墻肢截面厚度設計為200mm，輔以少量的小墻肢，使得剪力墻承擔的傾覆力矩大于整個結構體系總傾覆力矩的60%，這樣整個結構的剪力墻剛度分布均勻，力矩分布適中，比較符合新疆地區(qū)小高層的實際。具體布置圖1如下：

2.2 連梁剛度折減系數(shù)影響因素分析

決定連梁折減系數(shù)的因素有很多，例如連梁的跨高比、結構所要求的抗震強度、剪力墻結構高度、荷載工況等等，所以應針對不同的結構形式選取不同的折減系數(shù)。以下具體分析：

（1）受跨高比的影響

跨高比對剪力墻結構的抗震性能具有很大影響，對連梁自身的受力性能也有較大影響。分析受到剪切破壞的鋼筋混凝土構件，容易發(fā)現(xiàn)其剪跨比小于1，因此連梁容易在受到地震等外力作用時形成裂縫，從而導致混凝土破壞。連梁對墻肢的相對剛度用聯(lián)肢剪力墻的整體系數(shù)表示，該系數(shù)與聯(lián)肢剪力墻的幾何尺寸相關聯(lián)，在所研究建筑物的層高以及總搞成確定以后，連梁的洞口尺寸就決定了聯(lián)肢墻的幾何尺寸，這一幾何尺寸由跨高比決定。如果連梁的跨高比較大，則墻肢所受的約束較小，故降低剛度折減系數(shù)，避免過早的因為折減而破壞，從而失去連梁應有的約束能力；當然如果連梁的跨高比較大，則墻肢所受的約束作用就較強，連梁的內(nèi)力較大，容易產(chǎn)生超限的問題，所以要增加折減系數(shù)。

（2）受結構高度的影響

結構的抗震性能與剪力墻結構高度有較大關系，高度越高，則作用在結構上的豎向荷載越大，通常我們用軸壓比來描述結構的抗震性能。大量試驗表明，受壓區(qū)高度影響墻肢結構的穩(wěn)定性與延性，所以為了更好地發(fā)揮延性作用，要堅決避免小偏壓的情況出現(xiàn)在高度較大的受壓區(qū)，為此對軸壓比做了不同規(guī)定。此外，結構的自振周期與結構頂點位移與樓層層高有關，高度越高，軸壓比會越大，壓應力隨之增大，由此產(chǎn)生的附加彎矩也增大，位移也增大。因此，對于高度較高的結構而言，所取得連梁折減系數(shù)不宜過大，避免連梁在豎向荷載作用下相對較弱而產(chǎn)生破壞。

（3）受荷載工況的影響

與風荷載作用相比，連梁在地震作用下產(chǎn)生裂縫以及塑性變形更為嚴重。而混凝土開裂會導致連梁的剛度降低，剛度的降低會導致剛度折減更為厲害，所以折減系數(shù)較小。在豎向荷載作用下，相比較連梁剛度折減來說，可以通過調(diào)幅來降低支座彎矩。墻肢分擔了較大部分的剪力墻內(nèi)力，因此只有墻肢在受力作用下屈服，彎矩才會通過墻肢向下層的連梁轉移，但是連梁的彎矩調(diào)幅一定要謹慎，因為墻肢的屈服一般出現(xiàn)在連梁屈服之后，故而不能簡單的將內(nèi)力通過彎矩調(diào)幅轉移到其他連梁上。

3 連梁設計的建議

3.1 對連梁剛度折減

通過前述分析知道連梁的跨高比不大，而受到墻肢剛度較大等原因的影響，連梁的內(nèi)力較大，從而容易導致梁端出現(xiàn)裂縫，內(nèi)力進行重新分布，故而在對結構進行內(nèi)力計算時，需要對連梁剛度進行折減。根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》中的條款規(guī)定“在內(nèi)力與位移計算中，抗震設計的框架—剪力墻或剪力墻結構中的連梁剛度可予以折減，折減系數(shù)不宜小于0.5”。

3.2 增加剪力墻洞口的寬度、減小連梁高度

對于剪力墻結構洞口寬度的增加，換言之就是增加連梁跨度，以此來減小連梁的剛度，進而減小地震對于剪力墻結構的影響程度，防止連梁超限。

3.3 增加剪力墻的厚度

對于剪力墻結構厚度的增加，換言之就是增加連梁的截面寬度。因此結構整體的剛度增強，剪力墻內(nèi)部所受的地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力，將不再按照厚度增加的比例進行分配，同樣防止連梁超限。

3.4 提高混凝土等級

混凝土等級與結構抗剪強度有關，提高混凝土的等級可以提高結構的抗剪強度，增加彈性模量，因此可以防止連梁超限。

3.5 采用新型連梁結構

通過近些年來的努力研究，不少學者提出了新型的連梁結構，比如前述的傳統(tǒng)斜對角交叉配筋結構體系，這種連梁形式的受力性能較好，延性較大，但是鋼筋用量較大、施工成本與難度可想而知；菱形配筋結構體系，這種連梁形式受力性能也較好，缺點和傳統(tǒng)連梁結構一樣，施工成本較高、難度較大、技術要求較高；菱形斜筋鋼筋結構體系，該形式下鋼筋在連梁內(nèi)交叉分布較均勻，具有很好的延性；新型組合連梁結構體系，該形式與傳統(tǒng)連梁結構形式相比，自重降低，軸力減小，而且可以很方便的安裝摩擦耗能阻尼控制裝置，提高結構的抗震性能。

4 總 結

連梁在剪力墻結構中起著至關重要的作用，連梁超限是一個關乎結構穩(wěn)定、工程安全性的問題，與剪力墻的布置、墻肢截面尺寸、墻肢的剛度、結構洞的開設等很多因素有關，搞清楚結構破壞機理，對連梁的設計至關重要，能否科學合理的設計連梁關系到整個剪力墻結構的安全與穩(wěn)定，是確保建筑整體穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。

參考文獻

[1]于永江，李亞東.討論高層建筑剪力墻中連梁設計的幾個問題[J].民營科技.2010（02）.

[2]張曉剛，路福.淺析高層建筑結構中的連梁設計[J].赤峰學院學報（自然科學版）.2010（02）.

[3]張彬彬.高層建筑剪力墻連系梁抗震性能的試驗研究[D].重慶大學2001.