关于高烈度地区连梁剪压比超限的调整方法综述

聂卉（山西二建集团有限公司，山西太原030013）

在钢筋混凝土剪力墙结构、框架剪力墙结构(框架-核心筒结构)设计时常会遇到连梁剪压比超限的问题，解决时非常考验专业人员的素养，较为棘手，特别是在高烈度地区。然而连梁作为剪力墙抗震的第一道防线，其良好的耗能能力对整个结构的经济和安全是至关重要的。我国近年来地震频发，人们维权意识也逐渐加强，亟待提高地震作用下结构的安全，所以，研究高烈度区连梁的剪压比超限问题是至关重要的。本文通过实际工程设计中的总结和思考，详细探讨了连梁的超限原因、危害及对策，同时指出了按规程设计要求进行分析调整时的注意事项。

1 超限原因分析

从整体受力来看，如图1所示，假设连梁中部为连梁反弯点，从反弯点处切开，由受力平衡可以看出，由水平荷载导致的倾覆弯矩产生的轴力均由连梁内部产生的剪力来承担。烈度越高地震效应越大，从而导致由倾覆弯矩产生的连梁内部剪力增加，造成连梁内部承受非常大的剪力。

图1 剪力墙受力分析

由超静定结构的受力特性可知，在外荷载不变的情况下，构件的内力完全取决于构件间的刚度大小和约束关系。在水平地震作用下，由于剪力墙和连梁是刚性连接的，会限制连梁端节点处的自由转动，使得连梁承受较大的约束弯矩。连梁抗弯刚度越大，对墙肢造成的约束弯矩也越大。由下式(1)、(2)可知，连梁承受的剪力越大。

其次，从设计角度来看，进行剪压比计算时，连梁的剪力设计值应按下式(1)、(2)确定：

其中：ηv为连梁剪力增大系数，一级1.3，二级1.2，三级1.1。

从上式可以看出，由于强剪弱弯的概念设计，在计算连梁剪力时对剪力进行了人为放大，抗震等级越高，增大系数越大，从而使得连梁剪压比超限问题更为突出。

2 连梁减压比超限的危害

基于建筑物功能方面的要求，需要在建筑物墙体上设置门窗洞口，即便没有建筑功能方面的需求，为了预防剪力墙过长导致墙体脆性剪切破坏，结构设计人员在设计时会人为设置结构洞口，使延性较差、以剪切变形为主的整体墙成为延性较好、由连梁和剪力墙组成的有多道抗震防线的联肢墙。特别是在罕遇地震作用下，连梁作为剪力墙的第一道抗震防线，应保证连梁具有良好的变形及耗能能力。连梁的破坏形态主要分为两种：弯曲破坏和剪切破坏。当连梁发生弯曲破坏时，梁端弯矩较大的部位首先会出现垂直裂缝，主应力方位出现轻微的受拉裂缝，垂直裂缝在地震反复作用下逐渐开展形成塑性铰，使得结构刚度降低、变形加大，极大的吸收地震输入的能量。同时塑性铰仍然具有一定的传递弯矩和剪力的能力，使结构保持一定得刚度[3]。当连梁发证剪切破坏时，连梁主拉应力方向混凝土迅速被拉坏，在反复荷载作用下出现斜向交叉裂缝，迅速丧失承载能力，形成脆性破坏。当连梁破坏时，不能对墙肢形成有效的约束，联肢墙变成单片独立的墙肢，此时结构的侧向刚度极大的降低，结构变形持续增大，从而导致结构P-Δ效应增大，最终倒塌[3]。而且由国内外试验研究表明，连梁的平均剪应力过大会导致其剪切破坏发生在箍筋充分发挥作用之前，使得设计按剪力设计值配置箍筋以防止剪切破坏的意图不能得到充分的实现。因此，不论从防止连梁的脆性剪切破坏还是材料强度的利用方面，合理限制连梁剪压比是完全必要的。

3 剪压比超限调整方法

3.1 合理的结构布置

无论做任何结构设计，合理的结构布置都是首要的考虑方面，结构刚度越大，承受的内力越大，通过专业的结构布置，可使结构获得合理的刚度。根据地震影响系数曲线可知，结构的周期极大地影响着结构地震输入响应，当结构固有周期超过场地特征周期时，结构周期越大，输入整体结构的地震响应越小。所以设计时，在满足结构整体位移和剪重比的前提下，尽量减小结构侧向刚度，增大结构的自振周期，减小地震输入，从根本上解决连梁剪压比超限。

3.2 细化结构荷载

根据地震作用标准值的计算公式可知，地震作用和重力荷载代表值成正比例关系，重力荷载代表值越大，输入结构的地震响应也就越大[6]。因此在设计时，要根据建筑的具体做法确定结构楼面荷载。同时在计算隔墙荷载时，应考虑梁高和窗户的影响，尽量减小结构自重。建筑高度越高，荷载对地震作用的影响就越大，应引起高度重视。

3.3 合理选取连梁刚度折减系数

连梁刚度折减系数对结构影响是非常大的，连梁刚度系数取值直接影响连梁的受力状态，进而影响连梁剪压比是否会超限。对整个结构而言，此参数取值会直接影响到整个结构的刚度，同时对整个结构的动力特性影响也比较大。高规[6]建议在设计中，计算位移响应时连梁可不考虑连梁刚度折减，计算地震作用下内力时，对高烈度地区连梁刚度折减系数可取0.5，以允许其适当开裂，从而将内力转移到墙体上。实际工程中，不论是高烈度区还是低烈度区，对大部分的连梁其刚度折减系数可取0.7~0.8，其余剪压比超限的连梁可适当减小。如果还没有办法解决时，对其中一些剪压比不容易超限的连梁可以将折减系数取得更大一些(甚至可以不折减)来改变连梁所承受的地震剪力。通过连梁刚度折减系数将连梁进行分类，充分发挥连梁的承载能力，通过对连梁的这种差异化设计，使连梁剪压比超限得到满足同时不太削弱整个结构的刚度。

3.4 合理控制连梁高跨比

由《高层建筑混凝土结构技术规程》式7.2.22条可知，规范对于剪压比不大于2.5的连梁，在地震设计状况下剪压比限制条件更为严格，因小跨高比时，平均剪应力过大，连梁剪切破坏就会发生在箍筋充分发挥作用之前，偏离结构的设计意图。所以在设计中应尽量做跨高比大于2.5的连梁从而使得剪压比验算更容易得到满足。

3.5 改变梁高

连梁承受的剪力与梁高的关系为正相关，即连梁剪力随着梁高的增大或减小而增大或减小。然而剪压比则不然，剪压比计算公式见式3。

从剪压比计算公式(式(3))不难看出，随着梁高的改变，分子与分母同时增大或减小，变化幅度不同，结果可能增大也可能减小。工程设计中也经常会遇到如果个别连梁超限，按高规的建议减小梁高，剪压比不减反增。因此为了研究梁高与剪压比之间的变化规律，一些科研工作者及设计人员也做了相应的研究。文[1]作者通过对一单层双肢剪力墙的理论推导，得出了要通过改变梁高解决连梁超限问题，其主要影响因素是连梁与墙肢线刚度比K，当连梁高度h较小(小到使K<1/3)，模型调整时应该将梁的高度h再减小一些；反之，当连梁高度h较大(大到使K>1/3)，模型调整时反之应增加梁的高度h。同时文献[1][2]经过对Park的实例分析，证明了在单层双肢剪力墙上得到的关于梁高度改变对剪压比影响的规律同样适用于多层剪力墙。连梁作为罕遇地震时剪力墙的第一道抗震防线、主要的耗能构件，其良好的延性性能是设计时主要的考虑方面，因此高规推荐的减小梁高的建议是完全合理的，但是如果个别连梁本身高度已经较大，若通过继续增加高度能解决超限，同时不影响建筑使用功能的情况下，也不失为一个解决问题的思路。

3.6 连梁中间设缝，做成双连梁或多连梁

连梁中间设置水平缝是结构设计人员为解决剪力墙连梁超限采取的重要方法，本质上与减小连梁截面高度的方法相同。但是其应用的前提条件也是连梁与墙肢的刚度比不是很大，效果才比较理想，否则可能导致剪力降低太少而不能解决连梁剪压比超限问题。在实际设计中，可以将分缝后承受竖向荷载的连梁做的大些，其余的连梁做的小些，缝中间增填聚苯板。

3.7 按连梁破坏后独立墙肢计算

高规[6]指出当连梁破坏对承受竖向荷载影响较小时，可按该连梁破坏后的独立墙肢计算简图进行再一次的内力分析，所有的墙肢截面及其余连梁的配筋取两次计算结果的包络值。采用此方法时，尽量不要有承重的楼面梁支撑在破坏的连梁上，以免引起结构局部竖向承载能力不足。实际操作中可以将连梁两端设为铰接或取个较小的连梁刚度折减系数来模拟连梁破坏的情况。值得注意的是，如果较多的连梁按此办法处理，整个结构刚度损失会比较厉害，对高层和超高层结构要慎用。

3.8 合理控制混凝土强度等级

从剪压比计算公式式(3)可以看出，混凝土强度等级也是影响剪压比的一个重要的因素。当混凝土强度等级由C30调整为C40时，结构刚度提高1.083倍，但是其抗压强度提高1.336倍，因此提高混凝土强度等级有利于降低连梁剪压比。在实际设计中，可适当提高连梁混凝土强度等级，但是也不能过高，以免高强度混凝土裂缝不好控制，同时造成施工麻烦。

3.9 在连梁内增设对角斜筋或交叉暗撑

当实际设计中为了控制位移或构造要求不可避免设置跨高比小于等于2.5的强连梁时，也可以通过在连梁内增设对角斜筋或交叉暗撑来解决剪压比超限的问题。交叉配筋的原理是利用交叉钢筋抵抗由主拉应力引起的裂缝的开展，有效防止剪切滑移破坏。为了预防交叉斜筋在主应力方向被压屈服，也可在交叉斜筋周边设置箍筋，形成交叉暗撑。由于配置对角斜筋或交叉暗撑后连梁延性得到较大的提升，规范也适当提高了其剪压比限值，由0.15γRE提升到0.25γRE，使剪压比验算更容易通过。值得注意的是，配置交叉斜筋时，剪力墙厚度宜≥250mm，配置交叉暗撑时，剪力墙厚度宜≥400mm.

3.10 在连梁内设置型钢或钢板

由于型钢和钢板良好的塑性性能，可以有效防止连梁发生脆性破坏，同时其较高的抗剪能力可延缓斜裂缝的产生和发展。通过调整型钢和钢板的厚度，可以使抗剪承载力得到大幅度的提升，但是施工麻烦，不提倡大面积使用。

3.11 合理采用塑性调幅

此处的塑性调幅和普通楼面梁的塑性调幅概念是有些区别的。高规对连梁采取塑性调幅的目的是减弱连梁在水平地震作用下的抗弯和抗剪能力，超限连梁调幅后，相邻墙肢和连梁的内力应适当增大。一些文献[1][4][5]针对连梁超限问题提出了多种有效而实用的调幅方法，基本思路为：①按现有截面尺寸计算规范规定的允许最大剪力[V]作为调幅后的剪力设计值;②由连梁允许最大剪力[V]反算连梁的允许最大弯矩[M];③由第②步求得的最大弯矩[M]计算允许最大抗弯纵筋面积[As]；④根据第①步计算所得最大剪力[V]求得连梁需配箍筋最小值(Asv/s)min;⑤根据第②步求得的最大弯矩[M]虚拟超限连梁的截面高度，利用虚拟后的连梁截面高度进行第二次结构计算；⑥原超限连梁按原截面尺寸设计及第③④步的计算结果配筋，其余部位的连梁和墙肢按两个模型的包络结果进行配筋。具体的公式推导及虚拟超限连梁的截面高度确定可参考文献[1].

采用此方法需要注意：①若采取调幅设计，则连梁刚度不能折减；②调幅连梁根据计算得出的抗弯纵筋面积不能随意增大(如果跨高比＜5，可不满足框架梁最小配筋率的要求)；③调幅连梁计算所得的箍筋应适当增大，以适当提高受剪承载力，避免连梁抗剪先于抗弯破坏；④两次结构计算中，剪力墙都不应出现超筋的情况，同时第二次结构计算时，其余连梁也不应出现超筋的情况；⑤连梁减小截面后不能对竖向荷载有明显的影响；⑥此方法对于主要由风荷载控制的连梁应慎重，以免发生较大的裂缝而影响结构的正常使用；⑦采用此方法设计的连梁不宜太多，以免造成结构刚度过于削弱。工程实践表明，该办法对跨高比大的连梁效果较好，对跨高比较小的，尤其是强连梁效果比较差。

4 结语

结构设计本身就是采用刚柔并济的手段，安全、经济、合理地解决工程中遇到的各类问题。以上总结了剪力墙连梁剪压比超限调整的常用工程技术措施，可以解决工程中绝大部分连梁超限的问题。随着我国地震越来越频发，建筑高度越来越高，连梁作为剪力墙的第一道抗震防线，其合理的设计对结构安全尤为重要，需要在实践工程中不断总结、提升，争取把一些意向性的规律上升到理论的、可以更加量化的高度，需要同行的进一步探讨。