论文部分内容阅读
【摘要】本文通过对高层剪力墙结构连梁的工作原理和破坏形式进行分析，针对高烈度地区剪力墙连梁的超限问题，从结构概念设计、结构构件设计和构造措施三大方面提出了处理方法，以供参考。
【关键词】剪力墙结构;连梁受力机理;超筋超限;连梁设计
1、连梁的受力机理
在风荷载和地震力作用下，墙肢产生弯曲变形，连梁端部发生转角并产生弯矩、剪力和轴力，同时，连梁端部的内力作用减弱了相连墙肢的内力，并约束墙肢的变形，提高整体结构的延性和抗震性能。连梁的破坏形式有脆性的剪切破坏和延性的弯曲破坏。当连梁发生脆性破坏时，连梁承载能力丧失，对墙肢约束作用也随之丧失，如果沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏，墙肢将变成单片悬臂墙，这将大量降低结构的侧向刚度，导致墙肢位移和变形加大，弯矩加大，进一步加大P-△效应，导致结构产生二次破坏甚至倒塌。当连梁发生延性破坏时，连梁端部在形成塑性铰的过程中吸收大量的地震能量，降低结构的地震效应。同时，连梁在塑性铰形成后能继续传递剪力和弯矩，使剪力墙保持充足的承载力与刚度，对延缓墙肢屈服发挥重要作用。因此，在高烈度地区剪力墙结构抗震设计中，连梁是结构的主要地震耗能构件，是抗震设防的第一道防线，其设计的合理与否直接决定着结构抗震性能的好坏。
2、连梁超限处理方法
根据多年的设计经验，高烈度区剪力墙结构连梁很少有不超限的情况，连梁超限原因主要是连梁的剪压比不足。为防止连梁过早发生剪切破坏，提高连梁延性，建议主要从结构概念设计、结构构件设计和构造措施三大方面对连梁进行设计。
2.1 结构概念设计
2.1.1 结构整体刚度
结构整体应具有足够的刚度。抗震验算时，结构每一层的水平地震剪力应符合《抗规》[1]第 5.2.5 条Veki >λ∑Gj规定。当底部总剪力相差较大时，需要重新调整结构的选型和总体布置，不能只乘以增大系数来处理。满足最小地震剪力是后续结构抗震计算的前提，只有调整到符合最小剪力要求，才能進行相应的地震倾覆力矩、构件内力、位移等的计算分析。
2.1.2 结构抗侧刚度
剪力墙结构应该具有适宜的侧向刚度。抗侧力构件平面布置宜简单、规则，沿两个主轴方向均匀布置，两个方向的侧向刚度宜接近，限制结构的扭转效应，位移比不宜大于1.2，周期比不应大于0.9。结构平面规则、简单、对称，则结构地震反应清晰，抗震性能良好。剪力墙竖向布置宜连续，避免上下层刚度突变。若不满足上述要求，应调整抗侧力结构构件的布置、数量和截面尺寸。结构抗侧刚度并不是越大越好，刚度越大，地震效应越大，连梁容易发生脆性破坏。
2.1.3 结构布置合理性
结构平面布置时，单片剪力墙长度不宜大于 8m，超过8m时，应在剪力墙中间开洞。洞口尽量不要布置在墙肢的端部，因为洞口两侧的墙肢刚度相差较大时，墙肢的内力差异也较大，相连墙肢的内力差会使连梁产生较大的附加内力，容易导致连梁截面超限。尽量避免楼面梁尤其是框架主梁支撑在连梁上，楼面梁支承在连梁上时，附加弯矩和剪力造成连梁扭转，不但不能有效约束楼面梁，反而不利于连梁受力。
2.2 结构构件设计
2.2.1 连梁合理建模
结构建模时，当连梁跨高比≤2时，宜按洞口输入，采用壳元模型，刚度折减时考虑楼板作为连梁翼缘刚度，按主梁输入时，程序把连梁当作杆元构件计算，不考虑楼板翼缘刚度。当2<跨高比<5时，建议按洞口建模。当跨高比≥5 时，可按主梁建模。
2.2.2 连梁刚度折减
在水平风荷载作用下，折减系数不宜小于0.8，在6度、7度地震荷载作用下，折减系数取0.7，在8度、9度地震荷载作用下，折减系数最低可取0.5。跨高比大于 5 的梁，不应进行刚度折减。
2.2.3 削弱连梁与剪力墙的相对刚度
如果结构抗侧刚度不足，位移比规范限制大，需增加剪力墙数量，以减少每片墙肢承担的水平力，增加剪力墙的厚度，也增加连梁截面的宽度，以提高连梁的截面承载力，同时可以增加连梁的跨高比。
如果结构抗侧刚度较大，位移比规范限制小，超筋或超限数量又较多时，则可以采取加大连梁洞口，减小连梁截面高度，使连梁的刚度减小。如果只是部分连梁超筋或超限，则可采取调整连梁内力的方法来解决，调整的幅度不宜超过20%，且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。
2.2.4 设置双连梁
通过在连梁中部设水平缝使跨高比变大，增大剪跨比，提高延性，连梁的承载力不但没有降低，其变形能力和耗能能力反而大幅的提高，能很好解决连梁超筋超限问题。设置水平缝降低了连梁的刚度，同时降低了结构的整体刚度，也减小了地震作用的影响。
2.2.5 合理控制连梁配筋
连梁配筋时需考虑翼缘板内钢筋对连梁弯曲承载力的增大作用。这是问题容易被忽视，翼缘板刚度和配筋会使连梁由“强剪弱弯”构件变为“强弯弱剪”构件，导致使连梁由延性的弯曲破坏变成脆性的剪切破坏。连梁配筋时应根据翼缘板内的配筋情况，适当减小连梁上部的纵筋数量，使连梁两向抗弯承载力接近或相等，而不是简单的上下对称配筋。
2.2.6 设置型钢混凝土连梁
采用型钢混凝土连梁是解决连梁超筋超限的有效方法。在钢筋梁内设置型钢可以增强连梁的延性，提高连梁的抗剪、抗弯能力。当梁宽较大时，可采用钢骨混凝土连梁;当梁宽较小时，可采用钢板混凝土连梁，钢板混凝土连梁施工工艺相对简单，适用性较强。但型钢混凝土连梁造价比较高，建议部分严重超限的连梁采用型钢混凝土连梁替代。
2.2.7 铰接处理
高烈度区的连梁在上述调整后仍有部分超筋情况，将部分连梁两端按铰接处理，考虑连梁在大震作用下不参与工作，采取适当的构造措施确保连梁对剪力墙的约束不能完全丧失，避免出现“独立墙肢”。
2.2.8 提高混凝土等级
提高混凝土强度等级可以调高连梁的抗剪承载力。
2.3 构造措施
连梁设置交叉斜筋或对角暗撑[2]。通过改变小跨高比连梁的配筋方式，提高连梁的延性，使连梁发生剪切破坏时，其延性能力能够达到地震作用时剪力墙对连梁的延性需求。
参考文献：
[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[M].北京：中国建筑工业出版社，2010 .
[2]混凝土结构设计规范（GB50010-2010）[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.
【关键词】剪力墙结构;连梁受力机理;超筋超限;连梁设计
1、连梁的受力机理
在风荷载和地震力作用下，墙肢产生弯曲变形，连梁端部发生转角并产生弯矩、剪力和轴力，同时，连梁端部的内力作用减弱了相连墙肢的内力，并约束墙肢的变形，提高整体结构的延性和抗震性能。连梁的破坏形式有脆性的剪切破坏和延性的弯曲破坏。当连梁发生脆性破坏时，连梁承载能力丧失，对墙肢约束作用也随之丧失，如果沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏，墙肢将变成单片悬臂墙，这将大量降低结构的侧向刚度，导致墙肢位移和变形加大，弯矩加大，进一步加大P-△效应，导致结构产生二次破坏甚至倒塌。当连梁发生延性破坏时，连梁端部在形成塑性铰的过程中吸收大量的地震能量，降低结构的地震效应。同时，连梁在塑性铰形成后能继续传递剪力和弯矩，使剪力墙保持充足的承载力与刚度，对延缓墙肢屈服发挥重要作用。因此，在高烈度地区剪力墙结构抗震设计中，连梁是结构的主要地震耗能构件，是抗震设防的第一道防线，其设计的合理与否直接决定着结构抗震性能的好坏。
2、连梁超限处理方法
根据多年的设计经验，高烈度区剪力墙结构连梁很少有不超限的情况，连梁超限原因主要是连梁的剪压比不足。为防止连梁过早发生剪切破坏，提高连梁延性，建议主要从结构概念设计、结构构件设计和构造措施三大方面对连梁进行设计。
2.1 结构概念设计
2.1.1 结构整体刚度
结构整体应具有足够的刚度。抗震验算时，结构每一层的水平地震剪力应符合《抗规》[1]第 5.2.5 条Veki >λ∑Gj规定。当底部总剪力相差较大时，需要重新调整结构的选型和总体布置，不能只乘以增大系数来处理。满足最小地震剪力是后续结构抗震计算的前提，只有调整到符合最小剪力要求，才能進行相应的地震倾覆力矩、构件内力、位移等的计算分析。
2.1.2 结构抗侧刚度
剪力墙结构应该具有适宜的侧向刚度。抗侧力构件平面布置宜简单、规则，沿两个主轴方向均匀布置，两个方向的侧向刚度宜接近，限制结构的扭转效应，位移比不宜大于1.2，周期比不应大于0.9。结构平面规则、简单、对称，则结构地震反应清晰，抗震性能良好。剪力墙竖向布置宜连续，避免上下层刚度突变。若不满足上述要求，应调整抗侧力结构构件的布置、数量和截面尺寸。结构抗侧刚度并不是越大越好，刚度越大，地震效应越大，连梁容易发生脆性破坏。
2.1.3 结构布置合理性
结构平面布置时，单片剪力墙长度不宜大于 8m，超过8m时，应在剪力墙中间开洞。洞口尽量不要布置在墙肢的端部，因为洞口两侧的墙肢刚度相差较大时，墙肢的内力差异也较大，相连墙肢的内力差会使连梁产生较大的附加内力，容易导致连梁截面超限。尽量避免楼面梁尤其是框架主梁支撑在连梁上，楼面梁支承在连梁上时，附加弯矩和剪力造成连梁扭转，不但不能有效约束楼面梁，反而不利于连梁受力。
2.2 结构构件设计
2.2.1 连梁合理建模
结构建模时，当连梁跨高比≤2时，宜按洞口输入，采用壳元模型，刚度折减时考虑楼板作为连梁翼缘刚度，按主梁输入时，程序把连梁当作杆元构件计算，不考虑楼板翼缘刚度。当2<跨高比<5时，建议按洞口建模。当跨高比≥5 时，可按主梁建模。
2.2.2 连梁刚度折减
在水平风荷载作用下，折减系数不宜小于0.8，在6度、7度地震荷载作用下，折减系数取0.7，在8度、9度地震荷载作用下，折减系数最低可取0.5。跨高比大于 5 的梁，不应进行刚度折减。
2.2.3 削弱连梁与剪力墙的相对刚度
如果结构抗侧刚度不足，位移比规范限制大，需增加剪力墙数量，以减少每片墙肢承担的水平力，增加剪力墙的厚度，也增加连梁截面的宽度，以提高连梁的截面承载力，同时可以增加连梁的跨高比。
如果结构抗侧刚度较大，位移比规范限制小，超筋或超限数量又较多时，则可以采取加大连梁洞口，减小连梁截面高度，使连梁的刚度减小。如果只是部分连梁超筋或超限，则可采取调整连梁内力的方法来解决，调整的幅度不宜超过20%，且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。
2.2.4 设置双连梁
通过在连梁中部设水平缝使跨高比变大，增大剪跨比，提高延性，连梁的承载力不但没有降低，其变形能力和耗能能力反而大幅的提高，能很好解决连梁超筋超限问题。设置水平缝降低了连梁的刚度，同时降低了结构的整体刚度，也减小了地震作用的影响。
2.2.5 合理控制连梁配筋
连梁配筋时需考虑翼缘板内钢筋对连梁弯曲承载力的增大作用。这是问题容易被忽视，翼缘板刚度和配筋会使连梁由“强剪弱弯”构件变为“强弯弱剪”构件，导致使连梁由延性的弯曲破坏变成脆性的剪切破坏。连梁配筋时应根据翼缘板内的配筋情况，适当减小连梁上部的纵筋数量，使连梁两向抗弯承载力接近或相等，而不是简单的上下对称配筋。
2.2.6 设置型钢混凝土连梁
采用型钢混凝土连梁是解决连梁超筋超限的有效方法。在钢筋梁内设置型钢可以增强连梁的延性，提高连梁的抗剪、抗弯能力。当梁宽较大时，可采用钢骨混凝土连梁;当梁宽较小时，可采用钢板混凝土连梁，钢板混凝土连梁施工工艺相对简单，适用性较强。但型钢混凝土连梁造价比较高，建议部分严重超限的连梁采用型钢混凝土连梁替代。
2.2.7 铰接处理
高烈度区的连梁在上述调整后仍有部分超筋情况，将部分连梁两端按铰接处理，考虑连梁在大震作用下不参与工作，采取适当的构造措施确保连梁对剪力墙的约束不能完全丧失，避免出现“独立墙肢”。
2.2.8 提高混凝土等级
提高混凝土强度等级可以调高连梁的抗剪承载力。
2.3 构造措施
连梁设置交叉斜筋或对角暗撑[2]。通过改变小跨高比连梁的配筋方式，提高连梁的延性，使连梁发生剪切破坏时，其延性能力能够达到地震作用时剪力墙对连梁的延性需求。
参考文献：
[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[M].北京：中国建筑工业出版社，2010 .
[2]混凝土结构设计规范（GB50010-2010）[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.