关于剪力墙连梁设计中的若干问题分析

文/刘银 华东建筑设计研究院有限公司大连分公司 辽宁大连 116500

1、连梁刚度折减及电算模拟

1.1 连梁的工作机理分析

在风和地震作用等水平荷载作用下，墙肢产生弯曲或剪切变形，使连梁相对墙肢产生转角，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影响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。高层建筑剪力墙中的连梁在水平荷载作用下的破坏可分两种，即脆性破坏(剪切破坏 )和延性破坏(弯曲破坏 )。连梁在发生脆性破坏时就丧失了承载力，各墙肢丧失了连梁对它的约束作用，将成为独立墙肢。这会使结构的侧向刚度大大降低，变形加大，并最终可能导致结构的倒塌。连梁在发生延性破坏时，梁端形成塑性绞，结构刚度降低，变形加大，从而消耗地震能量。此时连梁仍能继续传递弯矩和剪力，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。

1.2 连梁刚度折减系数取值

伴随着连梁梁端产生塑性变形，结构刚度退化，变形加大，结构出现内力重分布，剪力墙墙肢内力加大，所以内力和位移计算中对连梁刚度应予折减。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第5.2.1条文说明指出，在不影响承受竖向荷载能力的前提下，允许其适当开裂（降低刚度）而把内力转移到墙体上。通常，设防烈度低时可少折减一些（6、7度时可取0.7），设防烈度高时可多折减一些（8、9度时可取0.5）。折减系数不宜小于0.5，以保证连梁承受竖向荷载的能力。对框架-剪力墙结构中一端与柱连接、一端与墙连接的梁以及剪力墙结构中的某些连梁，如果跨高比较大（比如大于5）、重力作用效应比水平风或水平地震作用效应更为明显，此时应慎重考虑梁刚度的折减问题，必要时可不进行梁刚度折减，以控制正常使用阶段梁裂缝的发生和发展。明确说仅在计算地震作用效应时可以对连梁刚度进行折减，对如重力荷载、风荷载作用效应计算不宜考虑连梁刚度折减。有地震作用效应组合工况，均可按考虑连梁刚度折减后计算的地震作用效应参与组合。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的6.2.13条文说明指出计算地震内力时，抗震墙连梁刚度可折减；计算位移时，连梁刚度可不折减。又参考广东省标《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ15-92-2013（以下简称《高规》），高层建筑结构计算时，框架-剪力墙、剪力墙结构中的连梁刚度可予以折减，抗风设计控制时， 折减系数不宜小于0.8；抗震设计控制时，折减系数不宜小于0.5；作设防烈度（中震）构件承载力校核 时不宜小于0.3。实际工程依据相关规范规程以及结构整体计算指标灵活处理。

1.3 电算程序中连梁模拟

连梁计算模型的不同，计算结果的差异较大。目前大家常用的结构分析软件在建立空间整体分析模型时，对连梁按以下两种情况模拟：

1）对连梁按梁元模拟（即杆元），连梁两端与墙肢变形协调，连梁的抗弯刚度计算值要小于按墙元（剪力墙开洞形成的连梁）的计算结果。

2）对连梁按剪力墙开洞模拟，连梁实际是墙的一部分，连梁四角与墙肢协调。

关于用哪种形式对连梁进行模拟，规范及规程未做明确说明。仅广东省标《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ15-92-2013第5.1.4条指出，当连梁的跨高比小于2时，宜用壳单元模拟（即墙元）。所以实际工作中建议按以下方式处理：

a)连梁跨高比≥5时，按梁元模拟；b)连梁跨高比≤2时，按墙元模拟；c)连梁跨高比大于2小于5时，可视具体情况灵活处理。但是设计时还是尽量控制连梁跨高比＞2.5为宜，这样连梁的抗剪承载力相对较高，较为经济。（从《混规》11.7.9条、《高规》7.2.22～7.2.23条、《抗规》6.2.9条等均可得出结论）

2、连梁超筋处理

《高规》7.2.24及7.2.25条对连梁的最小及最大配筋率作了相应要求，且最大配筋率的要求较普通框架梁更为严格，所以在设计过程中一般较易出现超筋现象。对连梁的超筋超限应进行分析判断并采取适当的处理方法，可按规范的要求进行如下处理：

1）连梁调幅处理

抗震设计剪力墙中连梁的弯矩和剪力可进行塑性调幅。《高规》5.2.3条指出，在竖向荷载作用下，可考虑框架梁塑性变形内力重分布对梁端负弯矩乘以调幅系数进行调幅。而对连梁则没有限制其只能对竖向荷载下的内力调幅，可以是对连梁端弯矩组合值的调幅。但在结构整体计算中已对连梁进行了刚度折减时，其调幅范围应限制或不再调幅。朱炳寅《建筑结构设计问答及分析》3.3.5条建议，经全部调幅（包括计算中连梁刚度折减和对计算结果的后期调幅）后的弯矩设计值不宜小于调幅前（完全弹性）的0.8倍（6、7度）和0.5倍（8、9度）。此调整方法考虑连梁端部的塑性内力重分布，对跨高比较大的连梁效果比较好，而对跨高比较小的连梁效果差。

2）减小连梁的截面

降低连梁的截面高度或采取其他减小连梁刚度的措施，从而达到减小连梁计算内力目的，同时加大剪力墙的地震效应值。

3）连梁的铰接处理

此处理办法是针对之前讲的跨高比大于的2的且按梁元输入的连梁。当连梁不作为次梁或主梁的支承梁时（《高规》7.1.5条，楼面梁不宜支承在剪力墙或核心筒的连梁上。），可假定该连梁在大震下的破坏（连梁按两端铰接梁计算），对剪力墙按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下的结构内力分析，墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配给设计，以保证墙肢的安全。

实用且简便的对连梁超筋的处理方法，参考朱炳寅《建筑结构设计问答及分析》3.3.5条（第198页），通过改变连梁计算截面高度，寻求与实际截面连梁的最大抗剪承载能力所对应的截面弯矩设计值，及与之相应的剪力墙内力及配筋。

结语：

连梁是剪力墙结构和框架-剪力墙结构抗震设计中的关键构件，相关问题也是错综复杂，设计时要把互相制约的因素统一协调，以取得比较理想的结果。正确处理连梁相关的一些问题，做到安全可靠且经济实用。