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【摘 要】通过工程实例，对剪力墙结构中的连梁设计，提供设计的几个建议，并且讨论连梁设计时的配筋计算。
【关键词】剪力墙结构；连梁计算；连梁截面及配筋设计
Shear wall structure with engineering examples to explore the design of coupling beams
Qin Wen-zhi
（New Energy Nuclear Engineering Nuclear Industry Institute of Architecture Design Co.， Ltd Taiyuan Shanxi 030012）
【Abstract】By engineering example， the coupling beam shear wall structure designed to offer a few suggestions designed and discussed reinforcement coupling beam design calculations.
【Key words】Shear wall structure；Coupling beams computing；Coupling beam cross sections and reinforcement design
1. 工程概况
太原市亲贤新村小区一期工程位于晋中市红马营村，官道街西侧，一期工程由亲松苑，集贤苑两部分组成。包括12栋11层住宅楼和33栋三层商铺，别墅等组成。总建筑面积为11万平米。现取其中一栋住宅楼QS-6为例，本建筑为地下一层，地上十一层，总高度为35m。抗震设防烈度为8度，建筑物抗震等级为二级。因为本工程为住宅，选用框架结构，过大的柱子和梁会影响住户的使用空间，而且8度区的框架结构的位移限值也不容易满足（高规中表4.6.3）1/550的要求，所以选用有短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。此结构体系在地震作用下，变形小，破坏程度低，大震时通过连梁和墙肢底部的塑性铰范围内的塑性变形，耗散大部的地震能量。
2. 连梁的工作和破坏机理
2.1 在剪力墙结构中，连接墙肢和墙肢，且跨高比<5的梁称为连梁。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。高层建筑剪力墙中的连梁在水平荷载作用下的破坏可分两种，即脆性破坏（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，在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，将成为单片的独立梁。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，同时通过塑性铰仍能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。在这一过程中，连梁起到了一种耗能的作用，对减少墙肢内力，延缓墙肢屈服有着重要的作用。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。
2.2 连梁超筋是一种常见现象：连梁超筋，实质是剪力不满足《高规》7.2.23条公式（7.2.23-1）至（7.2.23-3）剪压比要求。连梁易超筋的部位为：竖向楼层在一般剪力墙结构中，总高度的1/3左右的楼层；平面中，当墙段较长时其中部的连梁，某墙段中墙肢截面高度（即平面中的长度）大小悬殊不均匀时，在大墙肢连梁易超筋。
3. 设计和建议
（1）在剪力墙结构中，抗震墙由墙肢和连梁两部分组成，设计时应遵循强墙弱梁，强剪弱弯的原则，即连梁的屈服先于墙肢，连梁和墙肢均应为弯曲屈服。通过以上分析连梁的受力特点和连梁出现超筋的部位，结合建筑图，根据《高规》布置剪力墙。底部加强部位高度取36m/8或底部两层6m二者的较大值，故应取6m。并应额外加上地下室的高度。剪力墙厚度根据《高规》7.2.2条，底部加强部位的厚度确定为250mm，其它部位为200mm.然后在建筑外墙周圈和楼梯或电梯井筒部位先布置剪力墙，墙体开设窗洞和门洞，将其分成长度较为均匀的若干墙段，墙段用弱连梁连接。
（2）洞口宜上下对齐，成列布置，形成明确的墙肢和连梁。在剪力墙外墙上除去窗洞尺寸，窗顶至上一楼层标高减去面层作为连梁的高度，楼层到窗底用砌块填充，在连梁上输入砌块荷载。内部剪力墙根据房间墙体布局，对一般的矩形、L形、T形等平面宜沿两个轴线方向布置。剪力墙平面布置时应尽量使墙段中各墙肢截面高度相等或相差不大。在PKPM中建模，通过SATWE高层程序进行内力计算得出结论。在文本信息中的数据显示位移和周期都满足规范要求。而在第四项分析结果图形和文本显示中还有部分连梁有超筋超限的现象。剪力墙连梁标准层平面布置图如图1。
4. 连梁超筋的处理方法
对以上超筋的连梁，采取以下几种处理方法进行调整。
4.1 连梁刚度的折减。
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，连梁屈服时表现为梁端出现裂缝，刚度减弱，内力重分布。因此在开始进行结构整体计算时，就需对连梁刚度进行折减。折减系数不应小于0.55。一般在实际设计中在0.55～1之间取值。在程序中已取到最小值，所以不再调幅。 4.2 当连梁的破坏对承受竖向荷载无明显影响（即连梁不做为次梁的支承梁）时，可假定该连梁在大震下不参与工作，对剪力墙按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下的结构内力分析（为减小结构计算工作量可将连梁按两端铰接梁计算）墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋设计（一般情况下，连梁铰接处理后，墙的计算结果较大），以保证墙肢的安全。
4.3 加连梁跨度减少高度。
连梁刚度折减后，仍可能发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够的情况，这时可以增加洞口的宽度或减少连梁高度，以减少连梁刚度。减少了结构的整体刚度，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。以D轴与1～2轴间的连梁L1为例：L1为门顶梁，门洞宽度已定，只有减小高度，L1截面由原来的250X800减为250X400，门顶做成普通过梁。输入重新计算，连梁不再超筋，结构的层间位移也能满足规范要求。
4.4 增加剪力墙厚度。
亦即增加连梁的截面宽度，其结果一方面由于结构整体刚度加大，地震作用产生的内力增加，另一方面连梁的受剪承载力与宽度的增加成正比。由于该片墙厚增加以后，地震所产生的内力并不按墙厚增加的比例分配给该片剪力墙，而是小于这个比例，因此有可能使连梁的受剪承载力不超限。
4.5 提高混凝土等级。
混凝土等级提高后，结构的地震作用影响增加的比例远小于混凝土受剪承载力提高的比例，有可能使连梁的受剪承载力不超限。
5. 连梁的截面及配筋设计
针对以上各种措施，对连梁的截面及配筋作如下设计：
（1）对4.1的情况：连梁按调幅处理后，计算结果满足规范要求；连梁按计算结果配筋。
（2）对4.2的情况：连梁按铰接处理后，计算的结构的层间位移比满足规范要求，或相差不大；连梁按计算结果配筋。
（3）对4.3的情况：连梁减小高度后，其计算剪力V2已不大于原截面的最大受剪承载力[V1]，即V2≦[V1]，满足《抗震规范》第6.2.4条的要求。连梁不再有超筋现象，结构的层间位移也能满足《高规》表4.6.3要求要求，连梁按此计算结果配筋。
（4）当连梁按上述4.3的情况计算处理后，连梁减少高度仍有超筋现象，结构的层间位移角已不符合《高规》表4.6.3要求，且确无其他手段加大结构的侧向刚度，这时在结构设计中仍需采用原有连梁的构件截面尺寸，以满足结构的层间弹性位移角要求，但连梁按减小高度后的内力计算配筋。举例如下。
（5）某连梁截面为250mm×600mm，该连梁所能承担的最大剪力（按《高规》第7.2.23条计算，也可从电算结果的超筋信息中直接读取）[V1]=400KN，初次计算剪力为V=500KN>[V1]，需调整计算。减小连梁的计算截面至250mm×450mm，此时连梁的计算剪力V2=380KN<[V1]，相应计算弯矩为M2，调整计算结束。施工图设计时，连梁截面仍取为250mm×600mm，但取内力V2、M2计算配筋。
6. 结语
高层建筑剪力墙连梁的设计受很多因素的制约。连梁的内力和剪力墙的多少、每片剪力墙的水平力大小、连梁的刚度、与之相连的墙肢刚度等都有关。因此在设计时，问题是比较复杂的，设计时要把互相制约的因素统一协调，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》.
[2] 《建筑结构设计规范应用图解手册》朱炳寅.
[3] 《多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例》李国胜.
[文章编号]1006-7619（2014）01-17-023
【关键词】剪力墙结构；连梁计算；连梁截面及配筋设计
Shear wall structure with engineering examples to explore the design of coupling beams
Qin Wen-zhi
（New Energy Nuclear Engineering Nuclear Industry Institute of Architecture Design Co.， Ltd Taiyuan Shanxi 030012）
【Abstract】By engineering example， the coupling beam shear wall structure designed to offer a few suggestions designed and discussed reinforcement coupling beam design calculations.
【Key words】Shear wall structure；Coupling beams computing；Coupling beam cross sections and reinforcement design
1. 工程概况
太原市亲贤新村小区一期工程位于晋中市红马营村，官道街西侧，一期工程由亲松苑，集贤苑两部分组成。包括12栋11层住宅楼和33栋三层商铺，别墅等组成。总建筑面积为11万平米。现取其中一栋住宅楼QS-6为例，本建筑为地下一层，地上十一层，总高度为35m。抗震设防烈度为8度，建筑物抗震等级为二级。因为本工程为住宅，选用框架结构，过大的柱子和梁会影响住户的使用空间，而且8度区的框架结构的位移限值也不容易满足（高规中表4.6.3）1/550的要求，所以选用有短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。此结构体系在地震作用下，变形小，破坏程度低，大震时通过连梁和墙肢底部的塑性铰范围内的塑性变形，耗散大部的地震能量。
2. 连梁的工作和破坏机理
2.1 在剪力墙结构中，连接墙肢和墙肢，且跨高比<5的梁称为连梁。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。高层建筑剪力墙中的连梁在水平荷载作用下的破坏可分两种，即脆性破坏（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，在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，将成为单片的独立梁。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，同时通过塑性铰仍能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。在这一过程中，连梁起到了一种耗能的作用，对减少墙肢内力，延缓墙肢屈服有着重要的作用。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。
2.2 连梁超筋是一种常见现象：连梁超筋，实质是剪力不满足《高规》7.2.23条公式（7.2.23-1）至（7.2.23-3）剪压比要求。连梁易超筋的部位为：竖向楼层在一般剪力墙结构中，总高度的1/3左右的楼层；平面中，当墙段较长时其中部的连梁，某墙段中墙肢截面高度（即平面中的长度）大小悬殊不均匀时，在大墙肢连梁易超筋。
3. 设计和建议
（1）在剪力墙结构中，抗震墙由墙肢和连梁两部分组成，设计时应遵循强墙弱梁，强剪弱弯的原则，即连梁的屈服先于墙肢，连梁和墙肢均应为弯曲屈服。通过以上分析连梁的受力特点和连梁出现超筋的部位，结合建筑图，根据《高规》布置剪力墙。底部加强部位高度取36m/8或底部两层6m二者的较大值，故应取6m。并应额外加上地下室的高度。剪力墙厚度根据《高规》7.2.2条，底部加强部位的厚度确定为250mm，其它部位为200mm.然后在建筑外墙周圈和楼梯或电梯井筒部位先布置剪力墙，墙体开设窗洞和门洞，将其分成长度较为均匀的若干墙段，墙段用弱连梁连接。
（2）洞口宜上下对齐，成列布置，形成明确的墙肢和连梁。在剪力墙外墙上除去窗洞尺寸，窗顶至上一楼层标高减去面层作为连梁的高度，楼层到窗底用砌块填充，在连梁上输入砌块荷载。内部剪力墙根据房间墙体布局，对一般的矩形、L形、T形等平面宜沿两个轴线方向布置。剪力墙平面布置时应尽量使墙段中各墙肢截面高度相等或相差不大。在PKPM中建模，通过SATWE高层程序进行内力计算得出结论。在文本信息中的数据显示位移和周期都满足规范要求。而在第四项分析结果图形和文本显示中还有部分连梁有超筋超限的现象。剪力墙连梁标准层平面布置图如图1。
4. 连梁超筋的处理方法
对以上超筋的连梁，采取以下几种处理方法进行调整。
4.1 连梁刚度的折减。
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，连梁屈服时表现为梁端出现裂缝，刚度减弱，内力重分布。因此在开始进行结构整体计算时，就需对连梁刚度进行折减。折减系数不应小于0.55。一般在实际设计中在0.55～1之间取值。在程序中已取到最小值，所以不再调幅。 4.2 当连梁的破坏对承受竖向荷载无明显影响（即连梁不做为次梁的支承梁）时，可假定该连梁在大震下不参与工作，对剪力墙按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下的结构内力分析（为减小结构计算工作量可将连梁按两端铰接梁计算）墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋设计（一般情况下，连梁铰接处理后，墙的计算结果较大），以保证墙肢的安全。
4.3 加连梁跨度减少高度。
连梁刚度折减后，仍可能发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够的情况，这时可以增加洞口的宽度或减少连梁高度，以减少连梁刚度。减少了结构的整体刚度，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。以D轴与1～2轴间的连梁L1为例：L1为门顶梁，门洞宽度已定，只有减小高度，L1截面由原来的250X800减为250X400，门顶做成普通过梁。输入重新计算，连梁不再超筋，结构的层间位移也能满足规范要求。
4.4 增加剪力墙厚度。
亦即增加连梁的截面宽度，其结果一方面由于结构整体刚度加大，地震作用产生的内力增加，另一方面连梁的受剪承载力与宽度的增加成正比。由于该片墙厚增加以后，地震所产生的内力并不按墙厚增加的比例分配给该片剪力墙，而是小于这个比例，因此有可能使连梁的受剪承载力不超限。
4.5 提高混凝土等级。
混凝土等级提高后，结构的地震作用影响增加的比例远小于混凝土受剪承载力提高的比例，有可能使连梁的受剪承载力不超限。
5. 连梁的截面及配筋设计
针对以上各种措施，对连梁的截面及配筋作如下设计：
（1）对4.1的情况：连梁按调幅处理后，计算结果满足规范要求；连梁按计算结果配筋。
（2）对4.2的情况：连梁按铰接处理后，计算的结构的层间位移比满足规范要求，或相差不大；连梁按计算结果配筋。
（3）对4.3的情况：连梁减小高度后，其计算剪力V2已不大于原截面的最大受剪承载力[V1]，即V2≦[V1]，满足《抗震规范》第6.2.4条的要求。连梁不再有超筋现象，结构的层间位移也能满足《高规》表4.6.3要求要求，连梁按此计算结果配筋。
（4）当连梁按上述4.3的情况计算处理后，连梁减少高度仍有超筋现象，结构的层间位移角已不符合《高规》表4.6.3要求，且确无其他手段加大结构的侧向刚度，这时在结构设计中仍需采用原有连梁的构件截面尺寸，以满足结构的层间弹性位移角要求，但连梁按减小高度后的内力计算配筋。举例如下。
（5）某连梁截面为250mm×600mm，该连梁所能承担的最大剪力（按《高规》第7.2.23条计算，也可从电算结果的超筋信息中直接读取）[V1]=400KN，初次计算剪力为V=500KN>[V1]，需调整计算。减小连梁的计算截面至250mm×450mm，此时连梁的计算剪力V2=380KN<[V1]，相应计算弯矩为M2，调整计算结束。施工图设计时，连梁截面仍取为250mm×600mm，但取内力V2、M2计算配筋。
6. 结语
高层建筑剪力墙连梁的设计受很多因素的制约。连梁的内力和剪力墙的多少、每片剪力墙的水平力大小、连梁的刚度、与之相连的墙肢刚度等都有关。因此在设计时，问题是比较复杂的，设计时要把互相制约的因素统一协调，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》.
[2] 《建筑结构设计规范应用图解手册》朱炳寅.
[3] 《多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例》李国胜.
[文章编号]1006-7619（2014）01-17-023