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【摘 要】 通过对高层建筑中连梁的工作和破坏机理的分析，讨论了连梁设计的几个问题
【关键词】 高层建筑;连梁设计;强剪弱弯
随着中国城镇化的快速发展，新型的高层建筑建设慢慢的成为城市发展速度的标志。对于当前的高层建筑来说，混凝土墙、柱成为各种结构形式首选的抗震构件。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。连梁作为剪力墙结构抗震设计中的第一道防线和主要耗能构件，其设计的合理与否直接影响到建筑物抗震性能的好坏。本文通过对连梁的受力机理及破坏形式的分析，提出一些关于高层建筑连梁设计的方法。
一、连梁的受力及破坏形式分析
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。在风荷载和地震荷载作用下，墙肢产生弯曲变形，使连梁端部产生转角，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。在高层建筑中，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。
高层建筑剪力墙中的连梁在风荷载、地震作用下的破坏形态与开洞大小、连梁与墙肢的刚度比、承载力等有很大的关系，一般可分为两种，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，当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，将成为单片悬臂墙。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，在水平地震作用下会出现交叉裂缝，并形成塑性绞，结构刚度降低，变形加大，从而吸收大量的地震能量，同时结构的地震效应减小。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，在这一过程中连梁起到一种耗能作用。另一方面，连梁出现塑性铰后并未完全丧失承载力，它仍能通过塑性铰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。这对于减少墙肢内力，延缓墙肢屈服有着重要的作用。因此要求墙肢和连梁的设计均符合强剪弱弯的原则，同时要求连梁的屈服早于墙肢的屈服，并且要求墙肢和连梁具有良好的延性。
二、连梁的设计一般性原则
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。从破坏形态分析可知，按“强墙弱梁”的设计原则设计联肢剪力墙，首先要保证墙肢不过早出现脆性剪切破坏;其次应使连梁屈服早于墙肢屈服，同时应尽可能避免连梁过早出现剪切破坏，使连梁满足“强剪弱弯”设计原则。
三、工程实际中连梁设计的一些方法
在工程实际中，由于种种条件的限制，连梁设计不一定能全部满足规范要求。根据长期工程设计的经验，在此提出一些剪力墙连梁设计的方法供大家参考：
1.对连梁刚度进行折减
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，配筋设计困难。因此，可考虑在不影响承受竖向荷载能力的前提下，允许适当开裂而把内力转移到墙体上，就需对连梁刚度进行折减。根据《高层建筑混凝土结构设计技术规程》第5.2.1条规定：“高层建筑结构地震作用效应计算时，可对剪力墙连梁刚度予以折减，折减系数不宜小于0.5。”通常，在设防烈度低时可少折减一些（6，7度时可取0.7），设防烈度高时可多折减一些（8，9度时可取0.5）。
2.增大连梁跨度，减小连梁截面高度
在连梁设计中，即使连梁刚度进行了折减，仍可能存在连梁受弯承载力或抗剪承载力不够的情况。当连梁名义剪应力超过限制值时，加大截面高度会吸引更多剪力，更为不利。增大连梁跨度或减小截面高度，连梁刚度也随之减小，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。此方法在工程设计中较为常用。运用此方法时应注意连梁高度不宜太小，因为当连梁高度太小时不能消耗较多的能量以减轻墙肢的破坏，而且不能提供给墙肢足够的约束以抵抗地震力。
3.增加剪力墙墙厚
增加墙厚也就是增加连梁的截面宽度。其结果是一方面由于结构整体刚度增大，地震作用产生内力增加，另一方面连梁受剪承载力与梁宽的增加成正比。由于该墙体厚度增加后，地震作用所产生的内力并不按厚度增加的比例分给剪力墙，而是小于这个比例，因此有可能使连梁受剪承载力不超限。但是在工程实际中，由于建筑要求限制，此方法适用范围有限。
4.连梁设水平缝形成双连梁
对跨高比较小的高连梁，当由于实际情况限制无法采用方法2、3时可采用在连梁中部设水平缝形成双连梁或多连梁，其破坏形态从剪切破坏变为弯曲破坏。水平缝可设在连梁沿高度方向中央，厚度可为100mm，待混凝土浇筑完成后用砂浆填实。其实质是减小连梁高度的同时增加连梁的宽度。
5.提高混凝土等级
因为混凝土等级提高后，其弹性模量增加的比例远小于混凝土受剪承载力提高的比例，因而可能使连梁的受剪能力部不超限。但是在实际工程中混凝土强度不可能随意提高，故此方法应用范围也有限。
6.考虑连梁不参与工作
当采用上述方法后，实际工程中大部分连梁应该可以满足规范要求，但是有时候仍然不能避免还有少部分连梁超筋。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》7.2.26条第三款的要求，当连梁破坏对承受竖向荷载无影响时，可考虑在大震作用下该连梁不参与工作，按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下结构内力分析。具体在实际设计中，连梁可先按实际截面进行建模计算，然后再把连梁高度改为100mm高（或者把连梁两端改成铰支座），再进行一次建模计算。一般情况下程序此时已不考考虑连梁的作用，而按照独立墙肢进行结构内力分析。这其实是剪力墙结构的第二道抗震防线，符合抗震设计中多道抗震防线的概念设计要求。此时由于剪力墙的刚度降低，侧移允许增大，剪力墙的墙身配筋计算结果往往会增大，则剪力墙的墙身配筋按两次计算结果较大者进行配筋设计。连梁可按下述方法进行配筋设计：1、首先按该连梁截面能承受的最大剪力（高规JGJ3-20107.2.23）计算连梁抗剪箍筋;2、根据该剪力值计算出连梁端部弯矩（为简化起见，假设反弯点在中点），并作适当折扣，然后根据该弯矩值计算连梁纵筋。这样做的目的是为了保证连梁的强剪弱弯，故意让连梁先出现塑性铰。在这种情况下，连梁仍能保证对竖向荷载的承载能力，同时对墙肢有一定的约束能力，并具有变形耗能能力，破坏具有一定延性，基本上满足设计对连梁的基本要求。
应当指出，本条方法仅仅是在有少数连梁超筋的情况下采用的方法。当在多遇地震作用下连梁仍有较多超限，则说明结构方案存在较为严重的问题，不符合前述概念设计的要求，应考察结构中剪力墙的合理布置以及连梁与墙肢的匹配问题。而且此时采用本方法时由于大部分连梁很快屈服，无法形成抗震设防的第一道防线，不符合连梁设计的一般性原则。
四、结语
连梁是剪力墙结构体系中主要的抗震耗能构件，在设计时应根据强墙弱梁、强剪弱弯的原则和多道抗震防线的要求，与墙体一起综合考虑，以取得比较理想的结果。
参考文献：
[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010
[2]包世华《新编高层建筑结构》
[3]徐培福，黄小坤，《高层建筑混凝土结构技术规程理解与应用》
[4]朱丙寅《建筑抗震设计规范应用与分析GB50011-2010》
【关键词】 高层建筑;连梁设计;强剪弱弯
随着中国城镇化的快速发展，新型的高层建筑建设慢慢的成为城市发展速度的标志。对于当前的高层建筑来说，混凝土墙、柱成为各种结构形式首选的抗震构件。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。连梁作为剪力墙结构抗震设计中的第一道防线和主要耗能构件，其设计的合理与否直接影响到建筑物抗震性能的好坏。本文通过对连梁的受力机理及破坏形式的分析，提出一些关于高层建筑连梁设计的方法。
一、连梁的受力及破坏形式分析
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。在风荷载和地震荷载作用下，墙肢产生弯曲变形，使连梁端部产生转角，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。在高层建筑中，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。
高层建筑剪力墙中的连梁在风荷载、地震作用下的破坏形态与开洞大小、连梁与墙肢的刚度比、承载力等有很大的关系，一般可分为两种，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，当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，将成为单片悬臂墙。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，在水平地震作用下会出现交叉裂缝，并形成塑性绞，结构刚度降低，变形加大，从而吸收大量的地震能量，同时结构的地震效应减小。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，在这一过程中连梁起到一种耗能作用。另一方面，连梁出现塑性铰后并未完全丧失承载力，它仍能通过塑性铰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。这对于减少墙肢内力，延缓墙肢屈服有着重要的作用。因此要求墙肢和连梁的设计均符合强剪弱弯的原则，同时要求连梁的屈服早于墙肢的屈服，并且要求墙肢和连梁具有良好的延性。
二、连梁的设计一般性原则
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。从破坏形态分析可知，按“强墙弱梁”的设计原则设计联肢剪力墙，首先要保证墙肢不过早出现脆性剪切破坏;其次应使连梁屈服早于墙肢屈服，同时应尽可能避免连梁过早出现剪切破坏，使连梁满足“强剪弱弯”设计原则。
三、工程实际中连梁设计的一些方法
在工程实际中，由于种种条件的限制，连梁设计不一定能全部满足规范要求。根据长期工程设计的经验，在此提出一些剪力墙连梁设计的方法供大家参考：
1.对连梁刚度进行折减
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，配筋设计困难。因此，可考虑在不影响承受竖向荷载能力的前提下，允许适当开裂而把内力转移到墙体上，就需对连梁刚度进行折减。根据《高层建筑混凝土结构设计技术规程》第5.2.1条规定：“高层建筑结构地震作用效应计算时，可对剪力墙连梁刚度予以折减，折减系数不宜小于0.5。”通常，在设防烈度低时可少折减一些（6，7度时可取0.7），设防烈度高时可多折减一些（8，9度时可取0.5）。
2.增大连梁跨度，减小连梁截面高度
在连梁设计中，即使连梁刚度进行了折减，仍可能存在连梁受弯承载力或抗剪承载力不够的情况。当连梁名义剪应力超过限制值时，加大截面高度会吸引更多剪力，更为不利。增大连梁跨度或减小截面高度，连梁刚度也随之减小，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。此方法在工程设计中较为常用。运用此方法时应注意连梁高度不宜太小，因为当连梁高度太小时不能消耗较多的能量以减轻墙肢的破坏，而且不能提供给墙肢足够的约束以抵抗地震力。
3.增加剪力墙墙厚
增加墙厚也就是增加连梁的截面宽度。其结果是一方面由于结构整体刚度增大，地震作用产生内力增加，另一方面连梁受剪承载力与梁宽的增加成正比。由于该墙体厚度增加后，地震作用所产生的内力并不按厚度增加的比例分给剪力墙，而是小于这个比例，因此有可能使连梁受剪承载力不超限。但是在工程实际中，由于建筑要求限制，此方法适用范围有限。
4.连梁设水平缝形成双连梁
对跨高比较小的高连梁，当由于实际情况限制无法采用方法2、3时可采用在连梁中部设水平缝形成双连梁或多连梁，其破坏形态从剪切破坏变为弯曲破坏。水平缝可设在连梁沿高度方向中央，厚度可为100mm，待混凝土浇筑完成后用砂浆填实。其实质是减小连梁高度的同时增加连梁的宽度。
5.提高混凝土等级
因为混凝土等级提高后，其弹性模量增加的比例远小于混凝土受剪承载力提高的比例，因而可能使连梁的受剪能力部不超限。但是在实际工程中混凝土强度不可能随意提高，故此方法应用范围也有限。
6.考虑连梁不参与工作
当采用上述方法后，实际工程中大部分连梁应该可以满足规范要求，但是有时候仍然不能避免还有少部分连梁超筋。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》7.2.26条第三款的要求，当连梁破坏对承受竖向荷载无影响时，可考虑在大震作用下该连梁不参与工作，按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下结构内力分析。具体在实际设计中，连梁可先按实际截面进行建模计算，然后再把连梁高度改为100mm高（或者把连梁两端改成铰支座），再进行一次建模计算。一般情况下程序此时已不考考虑连梁的作用，而按照独立墙肢进行结构内力分析。这其实是剪力墙结构的第二道抗震防线，符合抗震设计中多道抗震防线的概念设计要求。此时由于剪力墙的刚度降低，侧移允许增大，剪力墙的墙身配筋计算结果往往会增大，则剪力墙的墙身配筋按两次计算结果较大者进行配筋设计。连梁可按下述方法进行配筋设计：1、首先按该连梁截面能承受的最大剪力（高规JGJ3-20107.2.23）计算连梁抗剪箍筋;2、根据该剪力值计算出连梁端部弯矩（为简化起见，假设反弯点在中点），并作适当折扣，然后根据该弯矩值计算连梁纵筋。这样做的目的是为了保证连梁的强剪弱弯，故意让连梁先出现塑性铰。在这种情况下，连梁仍能保证对竖向荷载的承载能力，同时对墙肢有一定的约束能力，并具有变形耗能能力，破坏具有一定延性，基本上满足设计对连梁的基本要求。
应当指出，本条方法仅仅是在有少数连梁超筋的情况下采用的方法。当在多遇地震作用下连梁仍有较多超限，则说明结构方案存在较为严重的问题，不符合前述概念设计的要求，应考察结构中剪力墙的合理布置以及连梁与墙肢的匹配问题。而且此时采用本方法时由于大部分连梁很快屈服，无法形成抗震设防的第一道防线，不符合连梁设计的一般性原则。
四、结语
连梁是剪力墙结构体系中主要的抗震耗能构件，在设计时应根据强墙弱梁、强剪弱弯的原则和多道抗震防线的要求，与墙体一起综合考虑，以取得比较理想的结果。
参考文献：
[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010
[2]包世华《新编高层建筑结构》
[3]徐培福，黄小坤，《高层建筑混凝土结构技术规程理解与应用》
[4]朱丙寅《建筑抗震设计规范应用与分析GB50011-2010》