高层建筑中有关连梁的问题讨论与设计要点

王 刚

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)



高层建筑中有关连梁的问题讨论与设计要点

王 刚

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

通过分析连梁的工作机理和破坏方式，了解了其性能特点，根据“强肢弱梁”“强剪弱弯”的原则，探讨了连梁的设计方法，并针对高层建筑连梁设计中常见的难点提出了处理建议，为连梁这一剪力墙体系中重要耗能构件的研究提供了依据。

连梁，剪力墙，刚度，延性

0 引言

随着我国社会经济的高速发展，人口以及各种资源在城市快速聚集，城市人口密度越来越大，地价不断飞涨，而新建楼盘大多选择以较小的土地面积获取最多的建筑面积，这导致高层建筑成为城市发展的必然产物。走在城市中，我们时常可以看到新建的高层写字楼、高层住宅，其中绝大部分采用了剪力墙、框架—剪力墙、筒体结构体系，这些结构体系中大范围的剪力墙上都布置有许多的连梁，那么连梁有什么重要作用；为什么在设计中总是会出现连梁超筋的问题；遇到连梁超筋该怎样处理；连梁设计又该注意哪些问题。这些就是我们今天需要讨论的内容。

1 连梁的定义及工作机理

连梁是指在包含剪力墙的结构体系中两端与剪力墙在平面内相连的梁(《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.1.3条的条文说明)。换成普通的说法：连梁是两片墙中间有洞口或断开，但受力要求又要连在一起而增加的受力构件。在连梁上下一般设置有洞口，比如门窗洞口、较长墙肢因受力需要设置的结构洞等。

对于联肢剪力墙而言，墙肢的延性、刚度、承载力等与相接的连梁有很大的关系。作为结构体系中抗震设防的重要构件，连梁的跨高比小，其所受的竖向荷载成为了次要受力类型，而像风荷载和地震荷载作用下对墙肢产生的水平力则成为了主要因素，受力后墙肢的弯曲变形导致与墙肢相接的连梁两端承受反向弯曲作用，相应产生转角变形和内力，而连梁端部的弯矩、剪力和轴力又反作用于墙肢，对墙肢起到了约束作用，改善了墙肢的受力状态，减小了内力和变形，连梁和墙肢就是这样相互作用，相互联系的。

高层建筑剪力墙体系中，在水平荷载作用下连梁的破坏分为脆性破坏(剪切破坏)和延性破坏(弯曲破坏)。连梁的脆性破坏：连梁的剪力通过梁的受压区传递至与其相连的墙肢，连梁受压区在地震作用下产生弯曲裂缝后抗剪能力已大幅下降，当连梁因延性不足，在未达到极限抗弯承载力时就因剪切破坏而丧失了承载力。若各楼层所有连梁均因剪切破坏而退出工作，各墙肢也会因为丧失了连梁的约束而成为单片悬臂墙，此时墙肢弯矩增大，侧向刚度降低，不断加大的位移进一步增加P—Δ效应(竖向荷载由于水平位移而产生的附加弯矩)，这对结构是十分不利的，会最终导致结构丧失效力。连梁的延性破坏：连梁在弯矩作用下，受拉区出现裂缝，随着荷载增加梁产生应力重分布，当荷载达到极限承载力时，裂缝进一步扩大，产生弯曲破坏。需要说明的是，这种弯曲破坏形式中虽然连梁先于墙肢屈服，但因其具有足够的延性，梁端可形成塑性铰，塑性铰既能消耗大量的地震能量，又能继续传递剪力和弯矩，对墙肢依然具有约束作用，保证了剪力墙具有足够的刚度和承载力。在这一过程中，连梁具有消耗地震能量，减少墙肢内力，延缓墙肢屈服的重要作用。

2 连梁的设计要点

一般连梁的高度大，连接的墙肢刚度也大，对剪切受力十分敏感，其设计具有一定的特殊性：小震和受风荷载作用的正常使用状态下，连梁具有约束墙肢、提高墙体刚度的作用；中震时它是联肢墙的第一道防线，应先于墙肢出现弯曲屈服，利用塑性铰和自身有限的破坏吸收地震能量；大震时允许其出现剪切破坏。《建筑抗震设计规范》第6.4.5条条文说明已明确指出开洞的联肢墙，应当以连梁首先屈服，然后墙肢的底部钢筋屈服、形成塑性铰的顺序为强震作用下的合理破坏过程。在设计前我们应先了解它的这些性能和特点，从概念设计为先，尽力做到“强肢弱梁”“强剪弱弯”，即弹性区要强、塑性区要弱，墙肢要强、连梁要弱，抗剪强度要强、抗弯强度要弱。

通常连梁根据跨高比分为两类：1)跨高比小于5的连梁；2)跨高比不小于5的连梁。

先说第二类跨高比不小于5的连梁，其受力状态与一般框架梁相似，可直接按框架梁的要求设计并配置钢筋。

第一类跨高比小于5的连梁，其竖向荷载引起的弯矩很小，对配筋不起控制作用，而水平荷载作用下，剪力很大，易出现剪切斜裂缝，对于跨高比不大于2.5的连梁，剪切作用更为显著。对于这类连梁，其受剪截面控制条件、斜截面受剪承载力、配筋构造的要求均需满足规范对于连梁的特殊规定，详见《高层建筑混凝土结构技术规程》中7.2.21～7.2.28条，条文内容不在此列出，需要特别注意以下几点：

1)一端与剪力墙相连、另一端与框架柱相连的跨高比小于5的梁(包括框剪结构中框架梁)应按连梁计算。

2)楼面主梁不宜支撑于连梁。因为连梁刚度较弱，对支撑于其上的主梁难以有效约束，自身抗扭刚度难以抵抗平面外弯矩；且连梁作为耗能构件，在强震下会首先破坏，将导致支撑的主梁也相应失效。如若实在难以避免，应将主梁端部与连梁相接处设为铰接，加大连梁的配筋及构造措施。

3)一般在风荷载和地震作用下，连梁的内力往往很大。在运用程序进行构件内力计算时需对连梁进行刚度折减，但是在整体位移计算时一般不做折减，针对计算指标不同，可能需要二次计算。

4)连梁超筋超限。在结构程序计算中总会出现连梁超筋显红的结果，特别是在高抗震烈度区尤为突出，这与连梁自身的工作机理有关，其实质还是所受剪力较大，超过抗剪承载力，不满足剪压比要求。连梁的易超筋部位是有一定规律的，竖向位于总高度中间1/3的楼层、平面位于长墙肢的中部或墙肢长度相差悬殊的部位容易出现连梁超筋。超筋可以采用如下方法处理：a.减小连梁截面高度，实质是减小其抗弯刚度，使水平荷载作用下承担的弯矩和剪力降低，即将受力减小或是将破坏形态从剪切破坏变为弯曲破坏，采用双连梁、多连梁的布置(《建筑抗震设计规范》第6.4.7条)原理也是如此。但由于截面减小的同时也降低了连梁自身的抗剪承载力，有时反而使结果更为不利，此种情况可以在不影响使用功能的基础上加大梁宽。b.对连梁刚度进行塑性调幅。调幅分为内力计算前调幅和内力计算后调幅。若内力计算前已降低了连梁刚度，其弯矩值就不宜再调幅。框架—剪力墙、纯剪结构的连梁刚度调幅后的弯矩不小于调幅前的0.8倍(6度～7度)和0.5倍(8度～9度)，因风载经常作用，计算风荷载时不应折减，以使梁保持弹性状态不出现塑性铰。折减后其余部位的连梁和墙肢应相应提高弯矩设计值。此时对于框架—剪力墙中两端分别与柱和墙连接的连梁以及跨高比大于5的连梁建议不要刚度折减，因为这部分梁以重力效应为主要控制因素。c.按独立墙肢进行结构内力分析。当连梁遭受破坏后，竖向荷载仍可以继续通过其他路径传递时，我们可以在大震作用下认为连梁退出工作，剪力墙成为独立墙肢，在这种条件下再次进行多遇地震的结构内力分析，墙肢按前后两次(即考虑连梁作用和不考虑连梁作用)计算内力的大值进行配筋。此种方法是假定连梁在大震时遭到破坏不能提供对墙肢的约束而单独依靠墙肢自身工作，具体操作时可将连梁支座设为铰接，此时剪力墙成为抗震第二道防线，其刚度降低，所以在第二次独立墙肢计算时可以不对侧移限制，但墙肢内力和配筋会加大以保证安全性。

5)改变连梁的配筋方式，即采用“集中对角斜筋”“交叉斜筋”“对角暗撑配筋”等方式，可以提高连梁的延性，同时不降低或有限度的折减连梁刚度(降低连梁相对作用剪力)。人为大幅度的折减连梁刚度以减少其所受到的地震剪力的做法，会导致连梁在地震作用下过早屈服，从而对延性的要求提高，且无法避免发生延性不足导致的剪切破坏，改变配筋方式可以很好的解决这一问题，其具体要求可参见《混凝土结构设计规范》第11.7.9～11.7.11条。

3 结语

通过上述内容的粗浅讨论，我们可以对剪力墙中的连梁这一重要的抗震耗能构件有了一定的认识并掌握了大致的设计方法，但在具体设计计算的操作中，我们还是需要依靠自身的经验对其不断调整截面、配筋等，以让连梁既能先于墙肢屈服成为很好的耗能构件，又要具有很高的延性不至于发生脆性破坏而导致剪力墙肢失去约束。我们只有从实际工程的设计操作中不断体会，积累经验，提高水平才能使类似细节设计不断优化，提升安全性。

[1] 李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例[M].第2版.北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2] 龚思礼.建筑抗震设计手册[M].第2版.北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[4] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

The problems discussion and design key points of related coupling beams in high-rise building

Wang Gang

(ShanxiArchitecturalDesignResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

Through the analysis on the working mechanism and failure mode of coupling beams, this paper understood its characteristics, according to the “strong limb weak beam”“strong shear weak bending” principle, discussed the design method of coupling beams, and puts forward the suggestions according to the common difficulty in high-rise building coupling beams design, provided basis for important energy consumption components research in coupling beams shear wall system.

coupling beam, shear wall, stiffness, ductility

1009-6825(2016)32-0050-03

2016-09-06

王 刚(1983- )，男，工程师

TU323.3

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