剪力墙结构连梁抗震延性研究及思考

彭展健

（广州市方圆建筑设计有限公司 广东广州 510620）

连梁作为剪力墙结构中的重要组成部分，在结构抗震设计中，理应按预设的延性破坏模式首先屈服，发挥能量耗散的关键作用。但限于连梁自身跨度小、截面大以及相连墙体刚度大的特点，在实际破坏过程中产生较大的梁端弯矩及剪力，远超其自身承载能力，使连梁损伤严重，呈现出预设屈服模式以外的脆性破坏，从而影响结构的整体延性。在实际工程中，普遍会遇到连梁超限以及连梁刚度折减幅度的问题。目前主流的解决问题的思路如同《建筑抗震设计规范》所提出的措施一样，对连梁刚度进行刚度折减，使得连梁在中震作用下梁端出现弯曲塑性铰，耗散地震能量，在较大地震作用下甚至失效破坏，同时辅以一系列特殊的抗震构造措施，确保连梁即使屈服也不致呈现脆性破坏。本文在前人研究的基础上，从结构抗震设计的角度出发，进行连梁刚度折减及连梁超限解决办法方面的归纳总结。

1 关于连梁超限问题的解决方法

连梁在实际工作的过程中，极有可能因为水平地震的作用产生承载力超限的问题，导致连梁结构的破坏。于乐[1]在研究中指出，连梁超限具体表现在两个方面：一是连梁抗弯超限，二是连梁抗剪截面不足，这两种情况都是因为水平作用下连梁的内力超过了连梁结构所能承载的阈值，导致出现脆性破坏，影响连梁延性。因此要研究连梁超限问题的解决方案，需要从提高连梁抗弯能力和抗剪能力着手着手，避免连梁产生塑性铰后因过大的弯曲转动而失去延性变形的能力，也避免连梁呈现非延性的剪切破坏。

在连梁受弯超限问题的解决方案研究中，国外学者早期提出可通过不同的连梁配筋形式解决连梁抗弯问题。早在1960年，T.Paulay和J.R.Binney[2]便提出了采用对角线斜筋配筋的方式改善连梁的受弯超限问题，并通过大量的试验研究得出该方案有助于提升连梁结构抗拉能力的结论。此外，学者G.G.Peenelis和I.A.Tegos[3]提出了菱形筋配筋的方案，并展开相应的试验研究，结果发现连梁的抗剪强度与斜筋配筋率具有一定的关联性，而菱形筋配筋的方式有助于提升连梁结构的强度和稳定度，更有利于连梁结构功能发挥。在上述研究的基础上，L.Galano和A.Vignoli[4]提出了混合配筋的方案，综合了对角线斜筋配筋与菱形筋配筋的优点，又有效的改良了其中的不足。国内学者也针对不同配筋形式做了相关研究，诸如龚炳年[5]等人最早提出交叉配筋可使连梁有较好的塑性变形，孙占国[6]等人随后提出菱形配筋可改善连梁延性，傅剑平[7]等人提出附加一定比例的交叉斜筋及菱形斜筋可较大提高连梁延性，以及张涛[8]提出将连梁箍筋沿截面高度分成三层，箍筋之间通过梁腹构造钢筋连接的配筋形式。

而近期，面对连梁容易出现抗弯超限的问题，国内更多地关注如何降低连梁刚度。如程昌宏[9]提出剪力墙超限连梁塑性调幅的实用方法，为剪力墙连梁设计的优化提供了参考；梁学元[10]针对高层建筑结构连梁超限问题，提出了“消极法”降低连梁强度、“积极法”提高连梁刚度的方案，强调连梁强度与刚度的适合性。范重[11]等人建立了连梁精细弹塑性模型，并通过滞回性能分析与能量等效方法得到用于连梁弹塑性分析的弯矩-转角骨架曲线，用该骨架曲线在SAP2000软件及PERFORM-3D软件进行验证，连梁在小震作用下就开始刚度退化，在中震及大震作用下能较好地滞回耗能，使结构呈延性破坏。在连梁抗剪截面不足的问题中，采用调整结构内力形式进行优化是目前主要的研究成果，即目前规范中建议的对连梁刚度折减。赵毅强和陈宇[12]提出运用剪力释放方法，人为降低连梁支座刚度，允许连梁破坏，减小连梁所受剪力。高文皂等[13]对个别超限连梁，依据改变连梁剪压比的几个关联变量，提出改变梁高、连梁中间设缝、塑性调幅、刚度折减的解决方案，为建筑结构抗震设计提供参考。此外，还可提高连梁混凝土强度等级，或在连梁中加钢板等方法，甚至采用隔减震结构的方法，直接提高连梁的抗剪能力或改变连梁所受内力来解决超限问题。王明振[14]甚至运用隔减震结构构件的方法，布置软钢阻尼器，对连梁进行消能减震设计，改变连梁的刚度和阻尼比。杨少华[15]则提出把型钢混凝土构件应用到结构薄弱位置或结构薄弱性能方面，发挥其承载力高的优点，诸如采用型钢混凝土组合的方法加强竖向构件，以采用此方法大幅提高连梁抗剪承载力，使结构呈现弱连梁强墙肢，弱弯曲强剪切。梁启智[16]等经试验研究所得，型钢混凝土连梁在低周反复荷载作用下的滞回曲线较为饱满，具有较好的延性耗能能力。

2 关于连梁刚度折减系数取值及思考

按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）及《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010），抗震计算时，可对连梁刚度折减，折减系数不宜小于0.5，以考虑连梁在地震作用下率先进入弹塑性阶段，成为抗震体系中关键的耗能构件。但实际这个折减系数的取值具体是多少，规范并未明确，而且在现实设计中，对高层建筑结构的所有连梁均采用统一的折减系数。不同的建筑平面会带来不同的结构布置，不同的结构布置会造成不同部位连梁在地震作用下的损伤程度不同。连梁刚度折减系数对于连梁耗散地震能量，促进结构呈延性破坏机制的效果如何，仍有待实际检验。

范重[11]等人以一个双肢剪力墙为算例，通过动力弹塑性分析，发现小震作用下连梁已经开始进入塑性，构件刚度退化至78%左右；中震作用下连梁的刚度退化至55%左右；大震作用下各项数值进一步降低。该研究准确的模拟了小震与中震作用下剪力墙结构的刚度折减系数变化及塑性变形耗能情况，对于解决连梁受弯超限问题具有较高的指导借鉴作用。侯晓武等[17]也指出，现有的高层建筑结构设计中，普遍存在连梁刚度折减系数设置不能考虑不同位置构件损伤程度的差异、框架梁和剪力墙损伤未能纳入结构优化考虑范围，以及用户较难确定结构在中震或大震作用下的附加阻尼比等问题，其通过弹塑性分析得出高层建筑结构在中震及大震下的刚度折减系数及附加阻尼比，发现中震作用下大部分剪力墙连梁刚度折减为0.8～1倍，全部框架梁刚度折减系数范围为0.8～1倍，大震作用下构件损伤均有一定程度的增加。张琳[18]针对某狭长平面的高层建筑进行设计，验算层间位移角时连梁刚度折减系数取1，以考虑该建筑在风荷载控制作用下层间位移角不超限，然后引入连梁刚度折减系数取0.7的另一情况，两者包络设计。

3 思考

连梁实际的刚度折减与地震作用、结构平面布置息息相关，然而现在的连梁刚度折减系数大多都带有一定经验性，对于结构不同位置连梁，难以真实模拟其在地震作用下的刚度折减，尤其对于结构平面特殊、体型复杂的结构，更应对其连梁构件的设计予以充分考虑，确保结构进入弹塑性阶段后，连梁具有足够的延性。对于此类平面特殊、体型复杂建筑结构，除应按照规范，满足连梁刚度折减系数取值要求外，还应以弹塑性分析作为手段进行基于预设屈服模式的结构设计，“大震设计、小震验算”，通过连梁构件滞回特性确定其刚度折减系数，确保结构在大震作用下构件按照预设的先后屈服顺序，同时也要保证构件能满足小震作用下不影响使用的要求。