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摘要:本文介绍了连梁(两端与剪力墙在平面内相连的梁)的定义、受力机理,给出了连梁的设计建议,及连梁抗剪、配筋等超限的解决措施,供设计人员参考。
关键词:连梁;剪力墙结构;延性
在剪力墙结构中,连接墙肢与墙肢,在墙肢平面内相连的梁称之为连梁。连梁一般具有如下特点:跨度短、截面高,而与连梁相连的剪力墙刚度又很大等。一般在风荷载和地震水平力作用下,连梁的内力常常很大。在进行位移计算时,连梁刚度一般不折减,但在内力计算,如配筋计算中,一般对连梁进行刚度折减。连梁是与剪力墙连为一体,使两端剪力墙连为一体受力的构件。
一般情况下,连梁可根据跨高比(ln/hb)分为深连梁(ln/hb≤1.5)、强连梁(1.5 一、连梁的受力机理
剪力墙连梁是主要的抗震耗能构件。连梁与框架梁一样,既承受由楼面传来的竖向荷载与风荷载或地震作用的水平荷载,但与框架梁不同的是,竖向荷载对连梁的破坏形态仅起次要作用,当剪力墙在风、地震等水平荷载作用下,墙肢产生侧移、发生弯曲变形时,连梁由于受到两端墙肢的约束而产生相应的弯矩及剪力,反过来连梁对两端的墙肢的约束作用减小了墙肢的内力和变形。剪力墙弯曲变形越大,在连梁内产生的内力就越大。在高层建筑中,一般中间楼层的层间位移角较大,这些楼层的连梁内力一般比较大。而连梁的刚度越大,则受到的约束作用就越强,产生的约束弯矩及剪力也越大。在地震荷载反复作用下,连梁两端会产生斜裂缝,产生塑性铰,使结构刚度减弱,变形增大,从而吸收大量的地震能量。连梁两端的塑性铰还会继续传递弯矩和剪力,对墙肢还有一定的约束效果,使剪力墙能够维持够多的刚度和强度。在这个过程中,连梁起到了耗能效果,降低了墙肢的内力,减慢了墙肢的屈服,使得结构具有良好的抗震性能。
二、连梁的设计建议
剪力墙与连梁共同受力,应该具有足够的刚度和强度。剪力墙墙肢和连梁的设计应以强剪弱弯为原则,设计时同时按强墙肢弱连梁为原则,并要求墙肢和连梁具有良好的延性[3],大部分或全部的连梁破坏应优先于墙肢,这就需要对连梁进行内力调整,内力调整一般包含两个方向,一个是内力调幅,直接降低连梁的内力设计值,另一个是连梁刚度折减,从而减少连梁的内力。
连梁做为剪力墙抗震中的第一道防线,地震时是允许破坏的,但是也需要能够承受足够的竖向荷载,即在正常使用荷载(包括在小震作用下),连梁都要处于弹性状态;但连梁也不能产生过大的刚度,若刚度太大,则地震力越大,不利于保证剪力墙的延性的,对整体结构不利,应使连梁在中震作用下会局部出现塑性铰。
剪力墙结构的连梁应采用合理的截面尺寸,具有恰当的承载力、刚度和延性,并具有较好的经济性,剪力墙的跨高比宜取2.5~5。连梁的抗震等级及混凝土强度等级同剪力墙。在计算模型中,剪力墙中连梁一般按开洞计算。
三、连梁超限的处理办法
首先复核结构的抗侧刚度及结构布置是否合理。结构整体应具有足够的刚度,抗侧力结构构件的布置宜均匀对称,两个正交方向的刚度宜接近;选用较高的混凝土强度等级,一般普通结构可用到C60;加大連梁的跨高比,即降低连梁高度或加大连梁跨度,会明显降低连梁及结构的刚度,从而减小连梁受力,相应增大剪力墙肢的受力。当连梁内力的降低幅度大于连梁承载力的降低幅度时,使得连梁的截面剪压比及斜截面抗剪承载力能够满足规范要求;增设剪力墙扶壁柱,是连梁宽度相应增加,此时连梁受剪承载力加大,使连梁不超限[4];采用设缝双连梁,将连梁在梁高方向分成跨高比较大的双梁,从而降低了连梁的刚度,减小了连梁的弯矩和剪力,使连梁的延性增强,构造上,水平缝处留模板或泡沫隔开上下梁即可,上下梁之间一般留20mm缝;对有地震作用效应组合工况,均可考虑连梁刚度折减,由于连梁刚度本身就很大,“能者多劳”,连梁在地震时会吸引很多的能量,为了不让其他构件先于连梁破坏,就需要对连梁进行刚度折减,但折减系数不宜小于0.5,以保证连梁承受竖向荷载能力,对于重力荷载、风荷载作用计算应不考虑连梁刚度折减[1];连梁中设置对角斜筋、交叉配筋或对角暗撑;当竖向荷载对连梁不起控制作用时,可考虑该连梁在大震下破坏,对剪力墙按单独墙肢进行第二次小震作用下的结构计算分析[5],单独墙肢和其他连梁按照两次计算的较大值进行包络设计。实际工程设计时,可将连梁按两端定义铰接(应注意强连梁的情况,实际铰接难以采用)梁计算。
四、其它注意事项
一般情况下,连梁不应作为楼面梁的支座。因为连梁做为第一道防线,地震作用的时候是允许破坏的,一旦连梁失效,搭在连梁上面的楼面梁及楼板就会相应破坏。若有楼面梁搭在连梁上,导致其承受较大重力荷载,会产生以下的不利因素:一方面楼面梁端部达不到一定刚度要求,连梁无法全部抵抗平面外弯矩;另一方面因连梁本来剪切应力就很大大,在增加楼面梁传来的内力会使连梁出现更大的剪切斜裂缝;而且连梁作为耗能构件,在地震作用下会首先开裂甚至破坏,从而,楼面梁失去支撑作用而相应破坏。因此在实际项目中应避免连梁做为其他楼面梁的支座。
当确实无条件避免时,则必须要保证连梁能够承受楼面梁带来的不利作用,一般应采取如下措施:考虑超限的连梁退出抗震(连梁两端简支)、剪力墙按独立墙肢复核。连梁应有足够的抗剪、抗剪能力;连梁中应设置钢板或型钢,确保满足抗剪要求。
五、结语:
剪力墙连梁的设计经常受到很多因素的影响。本文介绍了连梁的受力机理、设计建议、超限的处理办法及其他的一些注意事项,因此,剪力墙连梁设计时,需要设计人员从理论到实际,不断的分析、总结经验的基础上才能做出合理的设计。
参考文献:
[1] JGJ 3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[2] 中国建筑设计研究院有限公司,结构设计统一措施[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2018.
[3] 李奎明, 孙春毅, 李杰. 高性能混凝土双连梁短肢剪力墙试验研究[J]. 地震工程与工程振动, 2006, 26(3):121-123.
[4]林雪. 高层建筑连梁设计探讨[J]. 福建建筑,2015(9):49-51.
[5]朱炳寅. 混凝土剪力墙连梁的设计计算及超筋处理[J].建筑结构.技术通讯,2007,1~2.
关键词:连梁;剪力墙结构;延性
在剪力墙结构中,连接墙肢与墙肢,在墙肢平面内相连的梁称之为连梁。连梁一般具有如下特点:跨度短、截面高,而与连梁相连的剪力墙刚度又很大等。一般在风荷载和地震水平力作用下,连梁的内力常常很大。在进行位移计算时,连梁刚度一般不折减,但在内力计算,如配筋计算中,一般对连梁进行刚度折减。连梁是与剪力墙连为一体,使两端剪力墙连为一体受力的构件。
一般情况下,连梁可根据跨高比(ln/hb)分为深连梁(ln/hb≤1.5)、强连梁(1.5
剪力墙连梁是主要的抗震耗能构件。连梁与框架梁一样,既承受由楼面传来的竖向荷载与风荷载或地震作用的水平荷载,但与框架梁不同的是,竖向荷载对连梁的破坏形态仅起次要作用,当剪力墙在风、地震等水平荷载作用下,墙肢产生侧移、发生弯曲变形时,连梁由于受到两端墙肢的约束而产生相应的弯矩及剪力,反过来连梁对两端的墙肢的约束作用减小了墙肢的内力和变形。剪力墙弯曲变形越大,在连梁内产生的内力就越大。在高层建筑中,一般中间楼层的层间位移角较大,这些楼层的连梁内力一般比较大。而连梁的刚度越大,则受到的约束作用就越强,产生的约束弯矩及剪力也越大。在地震荷载反复作用下,连梁两端会产生斜裂缝,产生塑性铰,使结构刚度减弱,变形增大,从而吸收大量的地震能量。连梁两端的塑性铰还会继续传递弯矩和剪力,对墙肢还有一定的约束效果,使剪力墙能够维持够多的刚度和强度。在这个过程中,连梁起到了耗能效果,降低了墙肢的内力,减慢了墙肢的屈服,使得结构具有良好的抗震性能。
二、连梁的设计建议
剪力墙与连梁共同受力,应该具有足够的刚度和强度。剪力墙墙肢和连梁的设计应以强剪弱弯为原则,设计时同时按强墙肢弱连梁为原则,并要求墙肢和连梁具有良好的延性[3],大部分或全部的连梁破坏应优先于墙肢,这就需要对连梁进行内力调整,内力调整一般包含两个方向,一个是内力调幅,直接降低连梁的内力设计值,另一个是连梁刚度折减,从而减少连梁的内力。
连梁做为剪力墙抗震中的第一道防线,地震时是允许破坏的,但是也需要能够承受足够的竖向荷载,即在正常使用荷载(包括在小震作用下),连梁都要处于弹性状态;但连梁也不能产生过大的刚度,若刚度太大,则地震力越大,不利于保证剪力墙的延性的,对整体结构不利,应使连梁在中震作用下会局部出现塑性铰。
剪力墙结构的连梁应采用合理的截面尺寸,具有恰当的承载力、刚度和延性,并具有较好的经济性,剪力墙的跨高比宜取2.5~5。连梁的抗震等级及混凝土强度等级同剪力墙。在计算模型中,剪力墙中连梁一般按开洞计算。
三、连梁超限的处理办法
首先复核结构的抗侧刚度及结构布置是否合理。结构整体应具有足够的刚度,抗侧力结构构件的布置宜均匀对称,两个正交方向的刚度宜接近;选用较高的混凝土强度等级,一般普通结构可用到C60;加大連梁的跨高比,即降低连梁高度或加大连梁跨度,会明显降低连梁及结构的刚度,从而减小连梁受力,相应增大剪力墙肢的受力。当连梁内力的降低幅度大于连梁承载力的降低幅度时,使得连梁的截面剪压比及斜截面抗剪承载力能够满足规范要求;增设剪力墙扶壁柱,是连梁宽度相应增加,此时连梁受剪承载力加大,使连梁不超限[4];采用设缝双连梁,将连梁在梁高方向分成跨高比较大的双梁,从而降低了连梁的刚度,减小了连梁的弯矩和剪力,使连梁的延性增强,构造上,水平缝处留模板或泡沫隔开上下梁即可,上下梁之间一般留20mm缝;对有地震作用效应组合工况,均可考虑连梁刚度折减,由于连梁刚度本身就很大,“能者多劳”,连梁在地震时会吸引很多的能量,为了不让其他构件先于连梁破坏,就需要对连梁进行刚度折减,但折减系数不宜小于0.5,以保证连梁承受竖向荷载能力,对于重力荷载、风荷载作用计算应不考虑连梁刚度折减[1];连梁中设置对角斜筋、交叉配筋或对角暗撑;当竖向荷载对连梁不起控制作用时,可考虑该连梁在大震下破坏,对剪力墙按单独墙肢进行第二次小震作用下的结构计算分析[5],单独墙肢和其他连梁按照两次计算的较大值进行包络设计。实际工程设计时,可将连梁按两端定义铰接(应注意强连梁的情况,实际铰接难以采用)梁计算。
四、其它注意事项
一般情况下,连梁不应作为楼面梁的支座。因为连梁做为第一道防线,地震作用的时候是允许破坏的,一旦连梁失效,搭在连梁上面的楼面梁及楼板就会相应破坏。若有楼面梁搭在连梁上,导致其承受较大重力荷载,会产生以下的不利因素:一方面楼面梁端部达不到一定刚度要求,连梁无法全部抵抗平面外弯矩;另一方面因连梁本来剪切应力就很大大,在增加楼面梁传来的内力会使连梁出现更大的剪切斜裂缝;而且连梁作为耗能构件,在地震作用下会首先开裂甚至破坏,从而,楼面梁失去支撑作用而相应破坏。因此在实际项目中应避免连梁做为其他楼面梁的支座。
当确实无条件避免时,则必须要保证连梁能够承受楼面梁带来的不利作用,一般应采取如下措施:考虑超限的连梁退出抗震(连梁两端简支)、剪力墙按独立墙肢复核。连梁应有足够的抗剪、抗剪能力;连梁中应设置钢板或型钢,确保满足抗剪要求。
五、结语:
剪力墙连梁的设计经常受到很多因素的影响。本文介绍了连梁的受力机理、设计建议、超限的处理办法及其他的一些注意事项,因此,剪力墙连梁设计时,需要设计人员从理论到实际,不断的分析、总结经验的基础上才能做出合理的设计。
参考文献:
[1] JGJ 3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[2] 中国建筑设计研究院有限公司,结构设计统一措施[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2018.
[3] 李奎明, 孙春毅, 李杰. 高性能混凝土双连梁短肢剪力墙试验研究[J]. 地震工程与工程振动, 2006, 26(3):121-123.
[4]林雪. 高层建筑连梁设计探讨[J]. 福建建筑,2015(9):49-51.
[5]朱炳寅. 混凝土剪力墙连梁的设计计算及超筋处理[J].建筑结构.技术通讯,2007,1~2.