浅谈对高层建筑剪力墙连梁的认识

郑辉滨

(福州市建筑设计院　福建福州　350011)



浅谈对高层建筑剪力墙连梁的认识

郑辉滨

(福州市建筑设计院福建福州350011)

在剪力墙结构体系中，连梁作为抗震设防的第一道防线，对整体结构的安全起着重要的作用。文章主要从连梁的破坏机理、连梁设计和连梁配筋三个方面简要谈谈对连梁“超限”的处理和对小跨高比连梁配筋的认识。

剪力墙连梁；抗震性能；超筋处理；配筋构造

0　引言

近二十年来，随着国家经济水平的高速发展，大量农村人口涌入城市和城市建设可用地的减少等原因，高层建筑在我国得到了快速发展。就结构设计来说，高层建筑的特点如下：(1)承受着较大的水平荷载，其往往是决定因素；(2)侧向位移影响结构的安全，在设计时必须引起重视；(3)结构延性对结构在罕遇地震下的安全起着关键作用，是一个重要的设计指标[1]。

目前，针对不同的建筑高度和抗震设防烈度，高层建筑应用最为普遍的结构体系主要有：框架-剪力墙结构体系，框架-核心筒结构体系和剪力墙结构体系。这些体系有一个共同点，即均设置有剪力墙。剪力墙能够有效抵抗风荷载和水平地震的作用，是整体结构抗震设防的一道重要防线；而连接着两片剪力墙之间的连梁对剪力墙的受力特点，内力分布和变形形态等有着直接的影响。本文将简要谈谈对高层建筑剪力墙连梁的认识。

1　连梁的受力特点和破坏机理

两端与剪力墙在平面内相连且跨高比小于5的梁为连梁[2]。连梁主要承受水平荷载和竖向荷载。在水平荷载作用下，连梁的受力如图1所示，梁端弯矩M=V×ln/2。在水平荷载作用下，剪力墙将产生弯曲变形，连接着剪力墙的连梁由于变形协调，将在梁端产生位移，从而使连梁产生内力；同时，连梁端部的作用力(剪力、弯矩等)反作用于剪力墙，影响着剪力墙的受力和变形。

在地震作用下，连梁的破坏可以分为脆性破坏和延性破坏。连梁脆性破坏时，将丧失对剪力墙的约束作用，使相连的两片剪力墙成为独立的墙肢。这时，结构的侧向刚度降低，侧向变形加大；在P-△效应作用下，剪力墙底部的弯矩将有明显的增大，可能导致结构的倒塌。连梁延性破坏时，由于会在左右端部截面出现塑性铰，梁的变形加大；在形成塑性铰的过程中，由于塑性铰处混凝土裂缝的延伸，连梁耗散了大量地震能量，同时使结构其他构件受到的地震作用效应减小，这对保证整体结构的延性起到了非同一般的作用。

2　连梁的设计

连梁的跨度不大，其刚度相对墙肢的刚度很小，在地震作用和风荷载作用下，其往往承受着不小的弯矩和剪力。由于连梁对剪切变形很敏感，其名义剪应力限制比较严，在很多情况下容易出现“超限”情况。对此，在设计中可以采取如下一些措施[2]：

(1)减小连梁截面高度或采取其他减小连梁刚度措施

在建筑物整体刚度满足的情况下，可以尽量降低连梁的截面，但要保证连梁的截面不过小(h≥400mm)。截面高度过小时，该连梁容易成为弱连梁，容易导致两侧墙肢变形不协调。此外，可以增大其他榀框架或剪力墙的刚度，使该连梁在地震作用下分配的力减小。

(2)对连梁进行塑性调幅

可采用如下两种方法对连梁进行塑性调幅：

①在内力计算前，直接将连梁刚度乘以相应的折减系数；折减系数可以采用0.5～0.7(设防烈度低时采用大值，设防烈度高时采用小值)。采用这种方法时，对连梁刚度进行折减一般用于抗震计算，抗风计算时连梁刚度一般不折减，确保连梁在“平时”使用时不开裂。

②在内力计算之后，将梁端的内力组合值乘以相应的折减系数；折减系数可以采用0.5～0.8(设防烈度低时采用大值，设防烈度高时采用小值)。对连梁进行调幅后，要保证调幅所得的弯矩值大于其在风荷载作用下的值。

(3)当连梁的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作用下的内力分析，墙肢截面按两次计算的较大值计算配筋。

连梁不作为其他梁的支座或连梁承担的竖向荷载较小时，可假设其在罕遇地震下完全丧失承载力，对剪力墙按独立墙肢进行多遇地震下的补充计算；墙肢按两次计算所得的较大内力进行配筋设计，以保证墙肢的安全。连梁则根据实际截面按最大配筋率设置纵向钢筋，并根据实配纵筋面积反算所需的箍筋面积。在结构计算模型中，一般是将连梁模拟成梁端为塑性铰的梁单元，使其能承担一定的弯矩和剪力。

(4)设置双连梁

双连梁指在连梁中部以水平缝隔开的上下两根连梁[3]。目前，水平缝的处理方式一般有2种：

①在上下梁之间预留50mm～100mm的缝，缝用聚苯乙烯硬泡沫塑料板填实；

②上下梁之间留较大的缝(300mm～700mm)，缝之间用砌体墙填充，填充墙区域可以有利于设备管线通行。

目前，在建立模型时，对双连梁的计算通常采用简单等效的方法。采用此方法计算时，由于连梁的抗弯承载力发生了变化，因此不能很好地模拟真实连梁的受力状态，计算结果可信度较低。为了更真实地模拟实际状态的连梁，在建立模型时，在同一标准层同一位置应该按梁顶标高的不同输入两根梁，并将梁上线荷载输到上面一个梁上。

3　小跨高比连梁的配筋

在小跨高比连梁中，由于剪弯比很大，容易在刚开始加载不久就出现剪切破坏。为了使小跨高比连梁在罕遇地震时发挥出较高的延性和良好的耗能性能，可以采用以下一些配筋方法：

(1)沿对角线方向配置斜交叉钢筋

在小跨高比连梁中配置斜向交叉钢筋，其能够有效抵抗梁端的剪力，通过与箍筋的共同工作，能够使连梁的延性和耗能得到一定程度的提高。试验表明[4]，在跨高比小于2.5时，配置对角斜筋的连梁表现出较好的抗震性能：剪压比小等于2.0时，位移延性系数最大值能够达到3.5以上。这种配筋方法对连梁的截面尺寸没有特殊的要求，实际应用中比较方便。

(2)沿对角线方向配置交叉暗撑

在跨高比较小的连梁中增设交叉暗撑对提高连梁的抗震性能有较好的作用。试验表明[5]，当跨高比为1.3时，配置交叉暗撑的连梁的位移延性系数能够达到6.0，同时表现出较优秀的耗能能力。但这种配筋方法存在一些不足：①由于梁宽不宜小于400mm，使用上受到一些限制；②由于纵筋、箍筋的层数比较多，施工比较困难。

(3) 沿对角线方向配置斜交叉钢筋和由相互倒置的L形筋组成的菱形斜筋

采用这种配筋方法时，除了斜向钢筋能提高连梁的抗剪能力，L形筋还能减少混凝土的侧向变形，推迟剪切破坏的发生，提高连梁的延性。试验表明[6]，跨高比为1.0时，采用这种配筋方法的连梁的位移延性系数能够达到5.0，同时表现出良好的耗能能力。

(4)沿连梁截面高度配置3层封闭箍筋

采用这种配筋方法时，可以利用3层箍筋在对角向形成的约束混凝土斜压杆抵抗压力，利用纵筋和箍筋形成的合力抵抗连梁内部的对角拉力。试验表明[7]，采用此配筋方法的连梁的延性性能比普通配筋连梁好，抗震性能也较普通配筋连梁有较大的提高。

4　结语

为了保证连梁在罕遇地震时不发生脆性破坏，可以采取减小连梁刚度、对连梁进行塑性调幅、设置双连梁等措施合理设计连梁。通过设置斜交叉筋、交叉暗撑、斜交叉筋和菱形斜筋、3层封闭箍筋等方法，可以避免小跨高比连梁过早发生剪切破坏。

[1]张彬彬.高层建筑剪力墙连系梁抗震性能的试验研究[D].重庆：重庆大学，2001.

[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，2011.

[3]朱丙寅.建筑抗震设计规范应用与分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4]皮天祥.钢筋混凝土剪力墙小跨高比连梁抗震性能试验和设计方法研究[D]. 重庆：重庆大学，2008.

[5]T.Paulay,J.R.Binney.Diagonally reinforced coupling beams of shear walls[R].Shear in reinforced concrete, American Concrete Institute, Famington Hills,1974, 579-598.

[6]曹云锋，张彬彬，赵杰林，等.改善洞口连梁抗震性能的一种有效配筋方案[J]. 重庆建筑大学学报，2003，24-30.

[7]刘清山.抗震剪力墙小跨高比连梁的理论分析及试验研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2006.

Understanding of High-rise Building Coupling Beams

ZHENG Huibin

(Fuzhou Architectural Design Institute, Fuzhou 350011)

In shearwall structure system, the coupling beams play an important role in the safety of the whole structure as the first defense line. This article briefly talks about the processing of "over limit" coupling beams and the understanding of small aspect ratio coupling beams reinforcement from three aspects: the failure mechanism of coupling beams, the design of coupling beams and the reinforcement of coupling beams.

Shearwall coupling beam; Seismic performance; Super reinforced treatment; Reinforcement structure

郑辉滨(1988.4-)，男，工程师。E-mail:390474562@qq.com

2016-08-05

TU973

A

1004-6135(2016)09-0053-03