高层建筑连梁设计探讨

林 雪

(福建众合开发建筑设计院 福建福州 350004 )

高层建筑连梁设计探讨

林 雪

(福建众合开发建筑设计院 福建福州 350004 )

本文分析了高层建筑中连梁的受力性能和破坏机理，介绍了结构设计中连梁按“强墙弱梁” “强剪弱弯”进行设计的计算方法，并提出了连梁超限问题的处理方法。

连梁;强剪弱弯;弯矩可塑性调幅;刚度调整

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引 言

剪力墙是一种抵抗侧向力的结构单元。连梁是指两端与剪力墙在平面内相连的梁。剪力墙必须依赖各层楼板作为支撑，保持平面外的稳定。在地震荷载的作用下由于剪力墙平面内刚度很大，会吸收很大地震剪力，连梁与剪力墙平面内相连传递墙与墙之间的内力。剪力墙结构中连梁对剪力墙的作用非常大。

1 连梁的工作原理

在高层建筑结构中，连梁一般承受由楼板传递的竖向荷载与风荷载或地震作用引起的水平荷载，但竖向荷载对小跨高比连梁的破坏形态并不起主要作用。通常情况下，剪力墙在水平荷载作用下墙肢底部所受弯矩最大，整个结构呈弯曲变形为主，受拉墙肢与受压墙肢的变形的不一致直接造成连梁的两端产生反向相对变形，所以连梁承受了比较大的剪力，它将两端墙肢连接起来，此种双肢剪力墙的受力特点与连梁的跨高比、连梁与墙肢的刚度比有直接的联系，一般情况下，破坏时首先出现在中间楼层处的连梁与剪力墙连接部位。随着荷载的增加，其他层连梁端部相继屈服。

图1 连梁的变形和裂缝

连梁在水平荷载作用下会产生弯曲破坏和剪切破坏。剪切破坏是一种脆性破坏，当连梁的跨高比较小(<5)时，破坏时容易出现剪切斜裂缝，如果部分连梁剪切破坏或全部剪切破坏，则墙肢间的约束将削弱或全部消失，联肢剪力墙蜕化成多个独立墙肢。结构的刚度会大大降低，承载力也随之降低，并最终可能导致结构的倒塌。弯曲破坏是一种延性破坏，当连梁的跨高比较大(≥5)时，破坏时梁端会出现垂直裂缝，地震作用时会出现交叉裂缝，在结构受到往复的地震力作用时，耗能能力较强的连梁可以通过自身的逐步破坏，消耗较大的地震能量，纵向钢筋屈服，砼被压碎从而形成塑性铰，塑性铰能够传递弯矩和剪力继续起到约束墙肢的作用，逐步降低结构的抗侧刚度，减小结构地震反应，确保其他更重要的竖向承载构件的安全。跨高比较大的连梁在地震作用下，其塑性铰的发展更加充分，转动能力也更强。在同等条件下，跨高比较大的连梁具有更好的耗能能力。

2 连梁的设计计算

剪力墙中的连梁受弯矩、剪力、轴力共同作用。由于轴力较小通常忽略，按普通受弯构件的抗弯承载力公式进行计算。地震工况连梁的斜截面受剪承载力应符合：

a.跨高比大于2.5的连梁

(1-1)

b.跨高比不大于2.5的连梁

(1-2)

连梁通常根据小震弹性，中震屈服的原则按“强墙弱梁” “强剪弱弯”进行设计，使其作为抗震耗能的第一道防线。为避免墙肢不过早的出现脆性的剪切破坏，应设计延性的墙肢和延性的连梁，使连梁屈服早于墙肢屈服。要使连梁具有延性，抗震设计中连梁的设计剪力应等于或大于构件弯曲时实际达到的剪力。

抗震规范在纵向受力钢筋不超过计算配筋10%的前提下将承载力不等式转为内力设计表达式。不同抗震等级采用不同的剪力增大系数，使“强剪弱弯”的程度有所差别。该系数同时考虑了材料实际强度和钢筋实际面积这两个因素的影响。梁端截面组合的剪力设计值应按下式确定。

a.一、二、三级剪力墙的连梁按下式调整。

(2-1)

b.9度时一级剪力墙的连梁按下式调整。

(2-2)

连梁按求得的设计剪力配置箍筋，抗震设计的连梁的箍筋加密布置可以起到约束砼，延缓砼剪压挤碎的作用。当梁高较大时容易出现剪切斜裂缝，为防止斜裂缝出现后发生脆性破坏，在构造上应增加水平腰筋。

另一方面，根据试验及相关资料，连梁的延性性能和截面的剪压比有关。剪压比越高，延性越小。为了不使斜裂缝过早出现，砼过早开裂，要控制连梁的截面尺寸及砼的强度等级。因此规范对小跨高比的连梁的截面平均剪应力及斜截面受剪承载力提出了要求。

地震工况连梁截面剪力设计应符合：

a.跨高比大于2.5的连梁

(3-1)

b.跨高比不大于2.5的连梁

(3-2)

3 连梁超限问题的处理方法

高层建筑在水平力作用下连梁的内力很大。连梁在抗震计算中会出现超筋现象，一般均是连梁截面不满足剪压比的限值。下面介绍几种常用的方法供大家参考。

3.1 连梁刚度折减

根据高规5.2.1条规定，在重力荷载、风荷载作用效应计算时不宜考虑连梁刚度折减，在地震作用效应组合工况时，可按设防烈度对连梁刚度进行适当的折减。折减系数不宜小于0.5，以保证连梁承受竖向荷载的能力。对于跨高比较大(≥5) 、重力作用效应比水平风或水平地震作用效应更明显的连梁，应慎重考虑刚度的折减问题，以控制正常使用阶段裂缝的发生和发展。

3.2 连梁的弯矩可塑性调幅

若连梁弯曲裂缝对正常使用没有很大的影响且超限连梁数量不是很多时，可以按概念设计方法对连梁承受的内力和配筋进行再调整，使调整后的连梁首先满足截面剪压比的条件，同时限制受弯钢筋量使连梁的抗弯承载力维持在一定水平，满足强剪弱弯的条件。一般情况下，调幅后的弯矩不小于调幅前按刚度不折减计算的弯矩的80%(6～7度)和50%(8～9度)，并不小于风荷载作用下的连梁弯矩。连梁调幅后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况下的值，也不宜低于比设防烈度低一度的地震作用组合所得的弯矩、剪力设计值，其目的是避免在正常使用条件下或较小的地震作用下在连梁上出现裂缝。

当部分连梁降低弯矩设计值后，其余部位的连梁和墙肢的弯矩设计值应相应提高，对框架部分内力值也应相应提高。(已按第1点进行刚度折减的连梁，其弯矩值不宜再调幅，或限制再调幅范围)

1)跨高比不大于2.5的连梁联合1-2、3-2式可得

2)跨高比大于2.5的连梁，联合1-1、3-1式可得

根据全国民用建筑工程设计技术措施结构(2009年版)附录B为方便使用，箍筋配筋率ρsv可根据对应的砼强度、钢筋级别直接查得。纵筋计算系数可根据对应的钢筋规格直接查得。以上方法计算还需满足最小配筋率的要求。

对截面和配筋设计主要由平时概况(风荷载)控制的连梁，不宜采用此方法调整，以避免正常使用中发生较大裂缝。另当超限的连梁较多时，也不宜采用上述方法。

3.3 调整连梁的刚度

可采用减小连梁截面高度、增加连梁的跨度及设置双连梁来达到减小连梁刚度，减小地震力作用的影响，使连梁有可能不超限。也可采用增设剪力墙的扶壁柱，使连梁宽度相应增加，此时连梁受剪承载力加大，使连梁不超限。

3.4 连梁的铰接处理

当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时，可将连梁两端铰接按独立墙肢进行第二次多遇地震下的结构内力分析。假定连梁在大震下剪切破坏，不再能约束墙肢，这时剪力墙的内力和配筋会加大，墙肢截面按两次计算的较大值配筋。第二道防线的计算没有剪力墙的约束作用，结构位移会加大，按高规要求可不必按小震作用限制其位移。

3.5 连梁配置斜向交叉钢筋

钢筋混凝土结构设计规范第11.7.10条中规定，对于一、二级抗震等级的连梁，当跨高比不大于2.5时，可另配置斜向交叉钢筋。新版本的PKPM增加了此功能，可按规范要求根据不同的截面宽度设置交叉斜筋和对角暗撑(计算结果如下图)。此方法对解决宽度大于250mm的连梁的剪压比超限问题是有效，如框架-核心筒结构的外框筒位置连梁的超筋。但因连梁配筋较多且密，需严格控制施工质量。

图2 连梁配筋示意图

4 工程实例

福州地区某32层剪力墙结构住宅，建筑总高度93.1m。地震烈度为7度,设计基本地震加速度0.10g,场地类别Ⅲ类，特征周期0.65,剪力墙抗震等级为二级。因建筑楼电梯设置及户型采光通风等原因，造成建筑平面比较狭长且有较大的凹入和开洞，剪力墙的布置受建筑布局影响较大。调整前标准层平面及计算配筋如下图：

图3 调整前六层结构平面图

图中所示5处位置均为连梁超筋，设计计算中采用不同方法调整如下：

(1)编号①位置连梁仅在6～9层剪压比超限，连梁能满足正常使用下承载力要求，可以按方法2对连梁的弯矩可塑性调幅。根据全国民用建筑工程设计技术措施结构(2009年版)附录B，先查得箍筋配筋率及纵筋计算系数后再根据截面大小进行连梁配筋。

(2)编号②位置连梁由于跨度小，地震力作用大，剪压比超限。采用方法3，在门边设置300宽壁柱，连梁宽度相应增加为300,使其受剪承载力加大，调整后连梁不超限。

(3)编号③位置连梁采用方法3，在总体计算指标满足规范要求的前提下，调整两侧的剪力墙长度，增大连梁的跨度，减小连梁刚度及地震力作用使其不超限。

(4)编号④位置的1400高的梁，可采用方法3在梁中部设置水平缝形成500和800高的双连梁(新版SATWE软件增加了此功能)。双连梁可各自独立工作，按照各自的刚度分担内力，独立配筋满足抗弯、抗剪承载力要求。水平缝采用聚苯板或非承重砌块填塞，隔开上下梁。

(5)编号⑤位置，因建筑采光要求，造成平面有较大的凹入。采用方法4将连梁两端铰接，进行第二次多遇地震下的结构计算，由于凹口两侧的剪力墙间距较小，计算结果显示结构周期及位移指标小幅度增大但仍满足规范要求，施工图设计时对此处的墙、梁均采用包络配筋。下图为调整后标准层平面及计算配筋：

图4 调整后六层结构平面图

5 结语

高层建筑中为避免墙肢不过早的出现脆性的剪切破坏，应设计延性的墙肢和延性的连梁，使连梁屈服早于墙肢屈服。连梁在抗震计算中会出现超筋现象，一般均是连梁截面不满足剪压比的限值。结构设计中应采用各种方法反复调整进行试算，达到延性设计和耗能性能的良好统一。

[1]GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

[2]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

[3]JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[4]全国民用建筑工程设计技术措施, 结构(混凝土结构).

Discussion on the design of connecting beams in high-rise building

LINXue

( Fujian Zhonghe Development Architectural Design Institute,Fuzhou 350004 )

This paper analyzes the mechanical performance and failure mechanism of connecting beams in high-rise buildings, introduces the calculation method for the structure design of connecting beams according to the "strong wall and weak beam"and"strong shear and weak bending", and proposes treatment method for transfinite problem of connecting beams.

Connecting Beams；Strong Shear and Weak Bending Capacity； Amplitude Modulation of Bending Moment Plasticity；Stiffness Adjustment

林雪(1972- )，女，高级工程师。

2015-06-19

TU3

A

1004-6135(2015)09-0049-04