高层建筑连梁设计和分析

2012-08-15赵鹏

山西建筑 2012年12期

赵鹏

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

1 连梁的概念及特性

连梁是指在剪力墙结构和框架—剪力墙结构中连接剪力墙与剪力墙、剪力墙与框架柱且跨高比小于5的梁。连梁往往受建筑设计的限制具有跨度小，截面大，在水平力作用下与之相连的构件刚度大，容易出现剪切斜裂缝等特点。设计时即使采取各种措施如:减小连梁高度;在结构计算时对连梁刚度进行折减;提高混凝土强度等级;增加墙厚从而增加连梁的截面宽度等，仍无法保证全部连梁设计符合要求。连梁的设计、构造不当又将会造成结构在抵抗水平力时的强度、刚度不能达到要求，进而影响结构的竖向承载力。

2 连梁的工作机理

高层建筑在风荷载和地震荷载的水平力作用下，墙肢弯曲变形，使梁端产生一定的角度，连梁由此产生内力。同时连梁产生的内力又对与之相连的墙肢起到了约束作用，使其能够保持足够的刚度和强度，从而减小墙肢的内力和变形，改善其受力状态。

3 连梁的破坏机制

高层建筑中连接墙肢的连梁在风荷载和地震荷载作用下的破坏分为两种:脆性破坏(剪切破坏)和延性破坏(弯曲破坏)。

1)连梁在发生脆性破坏时，与之相连的墙肢形成单片墙，丧失了连梁对其的约束作用，使结构的侧向刚度减小，墙肢弯矩增大，最终导致丧失承载力。因此剪力墙结构设计中要求墙肢和连梁均不发生脆性破坏，同时要求连梁的屈服应该早于墙肢的屈服，具有良好的延性并且满足强剪弱弯的要求。2)连梁在发生延性破坏时，梁端出现裂缝，形成塑性铰，连梁的屈服早于墙肢的屈服，致使结构的侧向刚度减小，变形加大，从而可以吸收更多的地震能量。同时连梁对墙肢仍能起到一定的约束作用，通过塑性铰传递部分弯矩和剪力(这个弯矩往往是足够承担连梁跨度内的荷载)，使墙肢保持足够的刚度和强度，减少墙肢内力，延缓墙肢屈服。连梁具有约束墙肢、增大墙肢刚度和强度，承受和传递弯矩、剪力的作用。考虑到连梁在结构抗震设计中的重要作用，对其提出了特殊设计要求:1)在小震和风荷载正常作用状态下，不能产生裂缝;2)在中震作用下应首先出现弯曲屈服，起到消耗地震能量的作用;3)在大震作用下，可能出现剪切破坏。

4 连梁的超筋问题及措施

在结构计算中，构件一般考虑按弹性计算，此时墙肢的刚度远远大于连梁的刚度，在水平力作用下墙肢稍微有所变形，连梁就会承担极大的弯矩和剪力，最终导致连梁先出现开裂发生破坏，因此在实际工程中必须保证连梁的延性要求，满足强剪弱弯的原则，使之成为抗震的第一道防线。当剪力墙连梁不满足截面控制条件要求时，可采取如下措施处理:1)减少连梁截面高度。根据计算我们可以得知，如果连梁截面越大，刚度则越大，越容易超筋。根据《建筑抗震设计规范》6.4.7对跨高比较小的高连梁，可设水平缝形成双连梁、多连梁的构造。连梁截面高度减小，则连梁抗弯刚度减小，故水平荷载作用下的梁端弯矩减小，在连梁跨度不变的情况下梁端的剪力也会减小。2)增加剪力墙厚度。一方面墙厚的增加使结构整体刚度增大，水平力作用下的内力也随之增加;另一方面相应的增加连梁截面宽度并使其受剪承载力得到提高。而地震作用分配给该片剪力墙的内力小于墙厚增加的比例。加大连梁截面宽度虽有一定的效果，但可能影响到建筑的使用功能。3)提高混凝土强度等级。使得混凝土受剪承载力提高的比例大于结构增加的地震作用效应。4)对连梁进行刚度折减。由于连梁在结构中的独特性能，在风荷载和地震荷载作用下的内力很大，因此为了减小连梁内力，需在结构计算时对其进行刚度折减。根据《建筑抗震设计规范》(2010版)6.2.13规定，在实际设计中我们可取大于0.50的调整系数，以符合截面设计的要求。在满足结构整体刚度的前提下，上述措施中可先考虑折减连梁刚度的方法，如果不能解决问题时可考虑其余措施进行处理。

5 连梁的设计及构造要求

1)剪力墙开洞形成的跨高比小于5的梁，应按连梁设计，此梁均应取与剪力墙相同的抗震等级，且剪力墙洞口宜上下对齐，洞口边端柱不宜小于300 mm。当连梁跨高比不小于5时，此梁受力状况和一般框架梁相似，故宜按框架梁进行设计。2)剪力墙结构和部分框支剪力墙中，剪力墙不宜过长，较长的剪力墙宜设置跨高比较大连梁，将一道剪力墙分成长度均匀的若干墙段，各墙段的高度与墙段长度之比不宜小于4，墙段长度不宜大于8 m。3)连梁的刚度折减依据《建筑抗震设计规范》6.2.13规定不宜小于0.5。4)连梁的剪力设计值应符合《高层建筑混凝土结构技术规范》7.2.22规定。5)连梁的斜截面受剪承载力应符合《高层建筑混凝土结构技术规范》7.2.23规定。6)跨高比不大于1.5和大于1.5的连梁纵向钢筋的最小配筋率应分别符合图集《建筑物抗震构造详图》11G329-1第39页表43和表44的规定。并要求连梁上下边缘单侧纵向钢筋的最小配筋率不应小于0.15%，且配筋不宜少于2，12。7)连梁纵向钢筋的最大配筋率应符合《高层建筑混凝土结构技术规范》7.2.25规定。8)连梁配筋构造应符合《高层建筑混凝土结构技术规范》7.2.27规定。9)各类结构中，楼面主梁不宜支承在剪力墙洞口的连梁上，但为了满足设计需求必须设置在连梁上时，应当增强该连梁配筋。10)根据《高层建筑混凝土结构技术规范》7.2.26.3规定，假定连梁在大震下破坏，不再对墙肢起到约束作用，可考虑连梁不参与工作。11)连梁出现超筋超限时，可根据《建筑结构专业技术措施》附录G进行相关计算。12)对于一、二级抗震等级的框架—剪力墙结构及筒体结构连梁，当跨高比不大于2.5且需采用交叉筋或对角暗撑时，连梁构造详见《建筑物抗震构造详图》11G329-1第4页～第5页、第4页～第6页。