探讨高层建筑剪力墙中连梁的设计

聂培峰

摘 要：探讨分析了高层建筑剪力墙中连梁的受力及破坏机理，提出连梁的概念设计方法，并介绍了工程中连梁的设计方法。

关键词：高层建筑；连梁；设计

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。连梁在结构中除了承受竖向荷载外，在风荷载和水平地震作用下也会产生很大的内力。另外在高层建筑中由于连梁两端的竖向不均匀变形，会引起连梁两端的位移差，也在连梁内产生内力。本文通过对连梁在水平荷载作用下的受力及破坏机理加以分析，与大家共同探讨高层建筑连梁设计的方法。

1 水平荷载作用下连梁的受力及破坏机理

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。

高层建筑剪力墙中连梁在水平荷载作用下的破坏分为两种，即脆性破坏（剪切破坏）和延性破坏（弯曲破坏）。连梁在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，连梁就丧失了墙肢对它的约束作用变成单片的独立梁。这会使结构的侧向刚度大大降低，变形加大，墙肢弯矩加大，从而进一步增加P-△效应，并最终可能导致结构的倒塌。连梁在延性破坏时，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，并形成塑形铰，结构刚度降低，变形加大，从而吸收大量的地震能量，同时通过塑形铰仍能传递弯矩和剪力，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，直至破坏。

2 连梁的概念设计

为了实现结构的合理设计，首先需要在设计初期确定结构方案时应用概念设计的方法对剪力墙的平面布置，梁高的确定做好控制，为施工图连梁的合理设计打下良好的基础。

2.1 以“均匀、分散、周边”的一般性原则为主导

均匀，分散是要求剪力墙的片数要多，每片的刚度不要太大。不要仅设置一两片刚度很大、连续很长的剪力墙，这是因为片数太少，地震中万一个别剪力墙破坏后，剩下的几片墙难以承受全部地震力。同时由于单片墙刚度太大，使得其承受的地震弯矩也较大，从而使得连梁的截面设计也变得非常困难。

2.2 连梁的截面高度应适宜

连梁的刚度、承载力和变形能力能够与墙肢相匹配，避免连梁过强而使墙肢产生较大拉力而过早出现刚度和承载力退化。一般情况下，联肢墙宜采用弱连梁，即在地震作用下连梁的总约束弯矩不大于该层联肢墙所承受的总弯矩的20%。

2.3 不宜将楼面主梁支承在剪力墙之间的连梁上

一方面主梁端部约束达不到要求，连梁没有抗扭刚度来抵抗平面外弯矩；另一方面对连梁不利，连梁本身剪切应变较大，容易裂缝，主梁支承在连梁上使得连梁更加容易出现剪切破坏。而且计算时不宜对该连梁刚度进行折减，增加了连梁设计的困难。

3 工程中连梁设计的一些方法

在实际工程中，由于各种限制，上述概念设计的原则不一定能全部得到满足。连梁超筋就是经常出现甚至是不可避免的问题。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探讨：

3.1 对连梁刚度进行折减

竖向荷载作用下，连梁刚度不宜折减，其支座弯矩可以通过弯矩调幅来降低，在水平荷载作用下，连梁的刚度可以折减：当风荷载为控制性水平荷载时不宜小于0.8 ；当地震力为控制性水平荷载时不宜小于0.55。

3.2 进行塑性调幅

当连梁刚度折减后，连梁的承载力仍然不符合要求时，高规7.2.25条规定了连梁弯距及剪力可进行塑性调幅，以降低剪力设计值。首先，连梁弯矩设计值是包括竖向和水平两部分荷载所产生的内力的，竖向荷载作用下的连梁负弯矩是不能通过提高其他构件的弯矩来调整的，因此，此处的弯矩调整不应该包括竖向荷载产生的弯矩在内；其次，对连梁的刚度已经充分折减时，弯矩调整宜慎重。当为风荷载控制时，在对连梁刚度进行折减后，连梁的弯矩设计值不宜再进行调整。

3.3 减小连梁截面高度

减小连梁截面高度，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。此时需注意连梁高度不宜太小，因为连梁高度太小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。

3.4 加大洞口宽度

洞口宽度加大后，连梁跨度也随之加大，在连梁截面高度不变的情况下，同样起到了减小连梁刚度的作用。此方法多用于结构洞的处理。

3.5 增加墙厚

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，地震作用产生的内力增加，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。

3.6 连梁设水平缝形成双连梁

当由于实际情况限制无法采用方法三，方法四时可采用在连梁中部设水平缝的方法，在洞口上方形成双连梁。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。

3.7 提高混凝土强度等级

因混凝土强度等级提高后，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不超限。但在实际工程中混凝土强度不可能随意提高，故此方法应用范围有限。

3.8 考虑连梁不参与工作

当采用上述方法后，部分连梁仍然超筋时，可根据《高层建筑混凝土结构技术规程》7.2.26的要求，当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时，可按独立墙肢的计算简图进行第二次多遇地震下的内力分析，墙肢截面应按两次计算的较大值计算配筋。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。

3.9 其他

目前对连梁还有配置对角斜向钢筋，加设交叉暗撑，内置型钢或钢板，采用钢纤维混凝土等方法，对提高连梁抗剪承载力均有一定的帮助。

4 结语

（1）连梁是高层建筑结构体系中重要的抗震耗能构件，在设计时应根据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。（2）连梁的刚度应该适宜，既不能太大使墙肢产生较大拉力而过早出现刚度和承载力退化，也不能过小使得连梁不能消耗较多的能量以减轻墙肢的破坏而且不能给墙肢提供足够的约束以抵抗地震力。