高层剪力墙连梁设计的几点建议

2011-02-17章捷邱东梅雷润亚

中国科技信息 2011年10期

关键词：墙肢连梁延性

章捷邱东梅雷润亚

中冶东方工程技术有限公司秦皇岛研究设计院 066004

高层剪力墙连梁设计的几点建议

章捷邱东梅雷润亚

中冶东方工程技术有限公司秦皇岛研究设计院 066004

简述了高层剪力墙连梁的工作和破坏机理，针对连梁的受力特点，按“强剪弱弯”原则提出几点设计建议，可供结构设计人员参考。

剪力墙；连梁；塑性铰；强剪弱弯；延性

引言

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。一般在风荷载和地震荷载的作用下，连梁的内力往往很大。此外，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。在设计时，即使采取降低连梁内力的各种措施，如：增大剪力墙的洞口宽度，在连梁中部开水平缝，在计算内力和位移时对连梁刚度进行折减，对局部内力过大层的连梁进行调整等，仍难使连梁的设计符合要求。基于这种情况，本文将提供连梁设计的几个建议，以供结构设计人员参考。

1.连梁的工作和破坏机理

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.设计建议

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。根据抗震设计规范总则的要求，建筑物在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，一般不损坏或不需修复仍可使用，当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。因此，剪力墙的设计应该保证不发生剪切破坏，也就是要求墙肢和连梁的设计符合强剪弱弯的原则，同时要求连梁的屈服要早于墙肢的屈服，而且要求墙肢和连梁具有良好的延性。为实现以上目的，在连梁的设计中可考虑采取以下措施。

2.1 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，可考虑在不影响其承受竖向荷载能力的前提下，允许连梁适当开裂（降低刚度）而把内力转移到墙肢上。一般情况，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），但折减系数不宜小于0.5，以保证连梁承受竖向荷载的能力。值得注意的是，对剪力墙中某些连梁，如果跨高比较大（如大于5）、竖向（重力）作用效应比水平作用效应（风荷载或地震作用）更为明显，此时应慎重考虑连梁刚度的折减问题，必要时可不进行刚度折减，以控制正常使用阶段梁裂缝的发生和发展。

2.2 增大连梁的跨高比

在连梁设计中，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，这时可以增大墙体洞口的宽度（增大连梁跨度）或减小连梁的截面高度，以减少连梁刚度，从而减小了结构的整体刚度，也就减小了地震作用的影响，避免连梁配筋超限。如果还有少部分连梁超筋，则可采取调整连梁内力来解决，但调整的幅度不宜大于20%，且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。

2.3 增大剪力墙厚度

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其宽度的增加成正比，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。

2.4 提高混凝土等级

混凝土等级提高后，连梁承受的地震作用效应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。

剪力墙连梁在进行了上述调整后，仍有部分不符合承载力要求时，可取连梁截面的最大剪压比限值确定梁端剪力，然后按“强剪弱弯”的要求，配置相应的纵向钢筋。此时，如果不能保证连梁在大震时的延性要求，应重新调整结构布置进行整体计算，使连梁的承载力满足要求。

以上各种措施中，在能满足整体刚度的情况下，可先采用刚度折减，如仍超限可采用其余各种措施。