不同配筋短连梁地震作用下的力学性能研究概论

郑爱武 权百良

1西安工业大学 陕西西安 710021；2建筑工程学院 陕西西安 710021

摘要：短连梁也称为小跨高比连梁，目前在进行小跨高比剪力墙连梁的抗震设计中，为防止连梁过早发生剪切破坏，通常在梁内配置交叉斜向钢筋，使其延性能力能够达到地震作用时剪力墙对连梁的延性需求。本文介绍了连梁内斜筋的3种不同布置形式，研究了试验模拟短连梁地震作用下的基本原理和力学性能。

关键词：交叉斜向钢筋；短连梁；地震作用

前言

随着我国高层建筑的增多，为了更加有效地提高其抵抗地震的能力，保证结构的使用安全，短连梁出现在建筑剪力墙抗震设防的重要部位，是地震作用下的第一道防线。在传统的短连梁配筋方案中，主要为单纯布置横向水平箍筋，但汶川地震后建筑损毁情况分析发现承载剪切冲击力的短连梁在未达到延性破坏之前先出现沿梁四角向中心的脆性剪切破坏，使建筑物过早失去结构功能而发生倒塌；近年，国内外实验研究发现在短连梁受力比较复杂，不同于一般的受弯构件，在其内配置交叉斜向钢筋能有效承担剪力。本文主要研究了在小跨高比梁内通过布置3种不同形式的交叉斜向钢筋，通过分析对比来研究其力学性能及耗能能力。

1 短连梁构造

1.1 交叉斜向钢筋布置形式

1.1.1 交叉斜向钢筋配置方式一

对角暗撑配筋，沿连梁对角线斜向放置钢筋，形成两组相互交叉的钢筋，每组钢筋均采用矩形箍筋或螺旋箍筋绑成一体（图1）。这种构造方式的配筋基本要求是：（1）剪力墙连梁截面宽度不宜小于400mm。（2）全部剪力应由交叉斜向钢筋承担，每组沿连梁对角线放置的钢筋应至少由4根钢筋组成，钢筋直径不应小于14mm。（3）沿连梁对角线放置的每组钢筋应设置箍筋，两组钢筋交叉点处箍筋应对全部交叉钢筋约束并宜适当加密间距。箍筋外皮尺寸，在平行于梁宽度bw方向应不小于bw/2，在平行于梁高方向不应小于bw/5于100mm中较大值。（4）连梁全截面仅需沿周边配置普通箍筋。抗震设计时，沿连梁周边配置的普通箍筋和腰筋，在其各个方向的全部面积不应小于0.002bws（bw为连梁腹板宽度，s为箍筋间距或腰筋间距）。

图1.对角暗撑配筋

1.1.2交叉斜向钢筋配置方式二

集中对角斜筋配筋：沿连梁对角线斜向放置钢筋，形成两组相互交叉的钢筋，每组钢筋均未设置矩形箍筋或螺旋箍筋（图2）。其配筋符合下列几个要求：（1）剪力墙连梁截面宽度不宜小于350mm。（2）全部剪力墙应由交叉斜向钢筋承担，每组沿连梁对角线放置的钢筋应至少由4根钢筋组成，钢筋直径不应小于14mm。

（3）连梁全截面箍筋（拉筋）的直径、肢距和间距不应低于现行规范关于连梁箍筋配置要求。连梁两侧腰筋的面积不应小于0.002bws，腰筋间距不应大于200mm。

图2.集中对角斜筋配筋

1.1.3交叉斜向钢筋配置方式三

连梁顶部和底部纵向钢筋在连梁跨度中点两侧分别交叉弯折并在跨中钢筋交错排列呈菱形状（图3），如图：

图3.交叉斜筋配筋

（1）剪力墙连梁截面宽度，在连梁横截面两侧设置弯折钢筋时，不宜小于300mm。（2）弯折钢筋直径不应小于12mm。（3）连梁全截面箍筋（拉筋）的肢距和间距不应低于现行规范关于连梁箍筋配置的构造要求，箍筋（拉筋）直径宜比构造要求的最小直径适当加大，连梁两侧腰筋的面积不应小于0.002bws，腰筋间距不应大于200mm。

1.2 连梁截面剪力设计值

小跨高比连梁，其截面剪力设计值可分为永久、短暂设计状况和地震设计状况两种。集中对角斜筋配筋连梁，交叉斜筋配筋连梁、对角暗撑配筋连梁三种配置钢筋形式不同的短连梁在地震设计状况下其截面剪力设计值确定原则相同。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》中关于剪力墙结构设计的相关规定，地震设计状况下总结出跨高比不大于2.5的连梁相关剪力设计值参考公式，如下：

1.3 连梁的斜截面受剪承载力

小跨高比连梁的斜截面受剪承载力地震设计状况下相关计算参考公式如下：

2.短连梁分析

2.1 分析方法

现行的对于钢筋混凝土梁的相关性能分析方法多种多样，相对来说，有限元软件ANASYS和ABAQUS或者PKPM和SAP2000来都可以比较完美的建立需要的模型，并能够在模型上加载地震作用下剪力墙连梁的受力荷载等，软件自动显示出受力后连梁的状态和相关参数，方便与其他资料进行参考对比，如与试验对比，则能大大提高试验的准确性，并为试验提供一些新的思路。

2.2 模型选择

利用计算机软件ANASYS来建立钢筋混凝土剪力墙连梁模型来分析小跨高比连梁在地震作用下的力学特性，多次调整变量获得结果，这样比较利于操作、方便快速、经济合理，与土木工程学科的科学研究精神相互吻合。

2.3 实验原理及数据处理

由于三种短连梁的配筋形式不同，若想要得出有对比性的结论数据，可以控制使连梁内配筋率相同来进行分析，产生数据，进行分析，则可以达到对不同配筋形式短连梁在地震作用下的性能研究的目的，逻辑清晰，结构层次明確。

利用计算机软件建立好三种小跨高比连梁模型之后，不同交叉斜向配置形式的钢筋采用杆单元嵌入在混凝土模型中，模拟地震作用的受力情况对模型进行自动计算分析，得出短连梁的弯曲、形变、延性、截面剪力和斜截面受力情况，同时，软件还可对短连梁的进行裂缝检测，并生成模拟数据，然后根据这些数据结合规范及有关公式进行计算、绘制图表、得出结论。

结论

（1）采取不同的配筋方式，连梁达到所需延性时能承受的最大剪压比是不同的；（2）短连梁承受不断重复的剪切荷载时，三种配筋方式相比，方式一与方式二试验结果几乎没有差异，方式三破坏没有前者明显；（3）三种配筋方式在耗能方面区别的区别是可以忽略不计的；（4）配筋方式二相比配筋方式一相对来说便于施工；交叉斜向钢筋配置方式三与前面两种配筋方式相比，施工方便、快速，软件模拟也更加便捷；（5）交叉斜向钢筋配置方式三与前面两种配筋方式相比，同样体积配筋率时强度偏低，但其在转角延性方面具有显著的优势，交叉斜向钢筋配置方式三避免了发生对角线爆裂裂纹的剪切破坏。

参考文献：

[1] GB50010-2010混凝土结构设计规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程 [S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] 建筑抗震设计规范GB50011-2010 [S].北京：中国建筑工业出版社，2010.