结合某装配式高层剪力墙结构谈连梁剪压比超限

2021-04-10周易凯

山西建筑 2021年8期

周易凯

(上海诚建建筑规划设计有限公司，上海 200063)

1 概述

剪力墙结构高层住宅小区具有空间利用率高，小区公共绿化面积大，竖向结构构件与建筑隔墙融合度高等诸多优点，这些都能给小业主带来更佳的日常居住体验，所以近些年来越来越多的工程选择采用剪力墙这一结构体系。

连梁设计是剪力墙结构抗震设计中独具特色的一环。剪力墙结构刚度比较大，剪力墙的弹性形变能力较弱，延性较差。因而如果在设防抗震级别的地震作用下仅仅靠剪力墙的弹性变形来耗能，就会使得剪力墙的截面设计得很大。这样做既不满足开发商的经济效应也不适合小业主的日常使用。连梁作为剪力墙结构中率先进入塑性的构件，承担着剪力墙结构在遭遇中震，大震的情况下塑性耗能的关键角色，进而保护了作为竖向力主要受力构件的剪力墙不过早地发生塑性破坏，所以连梁也被称为剪力墙结构抵抗地震力的第一道防线。

连梁在中震，大震作用下能满足塑性变形耗能的同时也需要满足小震不坏的要求。这就要求连梁在多遇地震及风荷载工况作用下，保持在弹性受力阶段。

连梁的剪压比超限意味着连梁有剪切破坏的倾向。如果连梁发生了剪切脆性破坏，其会迅速失效，根本无法进入塑性耗能阶段便已经退出工作。这会极大地削弱剪力墙结构在抵御地震水平力的延性程度，从而无法实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计要求。

如此重要的连梁剪压比在工程设计中却会常常遇到试算不通过的情况，成为调模型阶段一类比较棘手的问题。本文结合上海某高层人才公寓的工程实例，分析造成连梁剪压比超限的原因以及对不同的解决方法展开讨论。

2 工程概况

上海地区某人才公寓，地上14层，地下2层，层高2.8 m，建筑总高度39.2 m，采用装配式剪力墙结构。

由于业主方提出需要考虑小业主日后二次改造多户合一的使用情形，所以本项目对于y向结构构件的布置的限制尤其严格。首先房屋中部各标准户型之间尽可能不布置剪力墙。其次联系y方向剪力墙的框架梁的梁高也做了很大的限制，采取400 mm，290 mm高的梁交替布置。结构地上第5层标准层示意图如图1所示。

初算模型中共有图上标注的3处连梁存在剪压比超限的情况(本工程采用YJK2.0.3版本)，见表1。

表1 剪压比超限的连梁

3 造成连梁剪压比超限的因素

JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[1](以下简称《高规》)7.2.22条指出抗震设计状况下连梁剪压比定义式为：

(1)

其中，V为经过强剪弱弯调整后的连梁截面剪力设计值；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；bb为连梁截面宽度；hb0为连梁截面有效高度；βc=1.0(≤C50)；γRE=0.85。

《高规》7.1.2指出：当剪力墙的墙段长度过长时，剪力墙受弯后产生的裂缝宽度会较大，墙体的配筋容易拉断，因而规范规定墙长需要控制在8 m以下。这就需要连梁把较长的剪力墙设置成多段联肢剪力墙。

联肢剪力墙作为主要抗侧力构件承担着绝大部分的地震作用和风荷载等水平力，而连梁正是联肢剪力墙发挥抗侧力能力的关键。连梁由于其跨度较小所以其线刚度很大，因而能协调其相邻的两片墙肢形成联肢剪力墙共同变形来抵抗水平力。反之连梁两端的剪力墙作用在其两端的约束弯矩也很大且通常弯矩方向同为顺时针或逆时针。两端大弯矩和小跨度这两点使得连梁自然而然成为剪压比超限的突出部位。

从连梁自身的承载力因素分析，连梁的跨高比是决定其剪压比是否超限的重要因素,《高规》7.1.3条规定跨高比小于5的连梁按连梁设计，而跨高比不小于5的连梁宜按框架梁设计。不难看出，跨高比越小，连梁的特性就愈发明显。

从连梁所受的荷载效应分析，在某个受力方向上联肢剪力墙数量少的区域、扭转效应明显的结构端部的联肢剪力墙，这些区域中的连梁由于承担着较大的地震内力因而十分容易出现剪压比超限的情况。针对本工程而言，y方向联肢剪力墙数量在结构中部数量急剧减少,导致分配到边榀的两跨剪力墙上内力十分巨大。

4 连梁超筋的处理方法

调整超筋连梁的方法笔者归结为两大类：第一类是增强连梁自身的承载力。主要的方法有：增大连梁的截面；提高连梁的混凝土等级；加配斜向对角钢筋来应对连梁的抗剪超筋；采用型钢混凝土连梁。第二类是降低超筋连梁的刚度从而降低其自身分摊到的作用内力。这一大类里主要有下列几种常见的方法：连梁刚度折减系数或者对连梁进行塑性调幅；减小连梁的截面；连梁分缝形成双连梁；通过调整相邻跨剪力墙肢的刚度，从而卸载超筋连梁的内力。

4.1 提高连梁抗剪承载力

4.1.1增大梁截面法

增加连梁的截面对连梁的抗剪承载力有显著的提升。在工程设计中出于节省混凝土用量及增大使用面积等经济效应的角度考虑，通常会采用加大连梁的高度而不是加宽连梁的宽度。由于窗洞的限制，往往只能在窗洞上下各做一根梁形成双连梁来增大梁的截面高度。

连梁不同于主要承受竖向荷载的框架梁，增加截面提高连梁抗剪承载力的同时也会因为连梁刚度的显著增大而导致对相邻墙肢的约束弯矩也迅速增加，其剪压比未必能够显著降低。只有当连梁截面已经比较大时，通常是连梁的线刚度与相邻墙肢较大线刚度之比大于1/3时，此时连梁已能很好地约束住相邻墙肢，可以进一步增大连梁的高度来尝试降低其剪压比。

4.1.2提高连梁混凝土等级

连梁的混凝土等级一般是与本层剪力墙的材料等级保持一致的。考虑到经济指标及施工便利性等因素，本结构剪力墙及连梁混凝土等级在C30～C45的范围内选用。试算模型混凝土等级为C35，如果改用C40，连梁的抗剪承载力将提升14%(根据GB 50010—2010混凝土结构设计规范[2](以下简称《混规》)表4.4.4-1及式(1))，同时如果忽略结构竖直方向上楼层刚度的改变造成本层地震内力的变化，那么该连梁在提高混凝土等级后分到的地震剪力的效应是不变的。

4.1.3在连梁中配置斜向钢筋

《混规》11.7.10条指出对于抗震等级为一，二级且跨高比不大于2.5的连梁，除普通箍筋外，宜另配置斜向交叉钢筋。配置了交叉钢筋以后，不但连梁的剪压比限制从原来的0.15调整至0.25，而且《混规》11.7.8条指出连梁强剪弱弯的剪力效应增大系数可以减小为1.0。显然配置斜向钢筋能很好地解决连梁剪压比超限问题。但是应用条件对连梁的最小宽度有很高的要求，另外本工程连梁抗震等级为三级，因而此类方法不适用。

4.1.4采用型钢混凝土连梁，钢板混凝土连梁

按照CECS 230:2008高层建筑钢—混凝土混合结构设计规程[3]第6.5.1条的规定，及JGJ 138—2016组合结构设计规范[4]第5.2.3条的规定，可以发现型钢混凝土梁的剪压比限制更高。但是型钢混凝土构件具有连接节点设计复杂，造价高的劣势，故一般住宅项目不推荐使用。

4.2 减小连梁的刚度从而降低连梁的剪力效应

4.2.1减小梁截面法

与增大连梁刚度法相对应，减小连梁截面降低其剪压比通常都用在截面高度较小的连梁上。通常来说，在剪力墙住宅结构中，与框架梁同高的连梁其线刚度与其相邻墙肢的线刚度之比都是小于1/3的。因而如果此时连梁剪压比超限，可以通过减小连梁的截面高度来尝试降低其轴压比。这也是《高规》7.2.26明确提出了在连梁剪压比超限的情况下建议减小连梁截面高度来尝试降低其轴压比的原因。

4.2.2选用合适的连梁刚度折减系数或对连梁进行塑性调幅

连梁刚度折减系数的作用在《高规》5.2.1条文说明里提到：高层建筑结构构件采用弹性刚度参与整体分析，但是连梁刚度相对剪力墙较小，而承受的弯矩和剪力很大，配筋设计困难。因此，可考虑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。

《高规》7.2.26条文说明提到连梁的塑性调幅可采用两种方法:一是按照本规程5.2.1条的方法，在内力计算前就将连梁刚度进行折减；二是在内力计算之后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数。两种方法的效果都是减小连梁内力和配筋。同时，规范也规定了无论用哪种调幅方法，连梁调幅后的弯矩，剪力设计值不应低于使用状况下的值，也不宜低于比设防烈度第一度的地震作用所得的弯矩、剪力设计值。其目的是避免在正常使用条件下或较小的地震作用下在连梁上出现裂缝。因此规范规定调幅后的梁端弯矩不小于调幅前按刚度不折减计算所得弯矩的80%，并不小于风荷载作用下的连梁弯矩。《高规》7.2.26中说明了如果已按照《高规》5.2.1进行过刚度折减的连梁其弯矩值不宜再按本条调幅，或限制再调幅范围。此时，应取弯矩调幅后相应的剪力设计值校核其是否满足0.15(跨高比小于2.5时)的剪压比限制；同时剪力墙中其他连梁和墙肢的弯矩设计值宜视调幅连梁数量的多少而相应适当增大。

4.2.3连梁分缝

连梁分缝是一种有效降级连梁刚度而不降低连梁抗剪承载力的方式。在连梁高度一半处设置一条通缝后形成的两根连梁刚度的和约为原连梁刚度的1/4而总抗剪承载力几乎不改变。另外分缝后的两根连梁位置相近，能最大程度地使得分缝后的双连梁内力相近。大幅降低连梁刚度后能有效减小剪力墙对连梁两端的约束弯矩。

第二类调整连梁剪压比的方法，其本质都是通过减小连梁两端的刚度从而减小相邻墙肢的作用在其上的梁端弯矩。然而由于普通住宅结构的连梁线刚度与相邻墙肢的线刚度之比通常很小，减小连梁线刚度后会使得相邻剪力墙难以形成联肢剪力墙共同抵抗水平力的作用，结构的整体刚度会大幅降低，从而削弱结构的层间位移角，位移比等整体指标。