剪力墙结构连梁设计探讨

【关键词】剪力墙结构连梁；跨高比；抗剪承载力 

　　从事建筑结构设计十多年来，在剪力墙结构连梁设计上按照现行规程规范也尝试过一些工程，从中总结一些经验，以供探讨。 

　　在剪力墙结构中，连接墙肢与墙肢的梁称为连梁。连梁一般具有跨度小、截面大、与连梁的墙体刚度很大等特点。连梁除了承受竖向荷载外，还要承受风荷载和水平地震作用等水平荷载的作用，将产生很大的内力。因此，在进行剪力墙结构设计时，经常出现连梁无法使连的截面设计符合要求。本文主要是讨论剪力墙结构中连梁设计的几个问题，列举几种新型连梁结构体系及其优缺点，并提出相应的设计建议。 

　　1. 联肢墙在水平荷载作用下的破坏机制 

　　1.1 连梁的作用。 

　　在水平荷载作用下，墙肢发生弯曲变形，使连梁端部产生转角，从而使连梁产生内力，同时连梁端部的内力又反过来减小与之相连的墙肢的内力和变形，对墙肢起到一定的约束作用，改善墙肢的受力状态。因此，连梁对于剪力墙结构尤为重要，它在起到连接墙肢作用的同时，还对连接的墙肢起到一定的约束作用。 

　　1.2 联肢墙在水平荷载作用下的破坏机制。 

　　1.2.1 连肢墙的脆性破坏。 

　　联肢墙的脆性破坏有以下两种情况：墙肢发生脆性破坏和连梁发生脆性破坏。当脆性破坏发生于墙肢，会使剪力墙很快丧失承载能力，甚至造成结构的突然倒塌，这是设计时应绝对避免的。《建筑抗震设计规范》规定了抗震墙截面的剪压比限值和抗震等级为一、二级时抗震墙底部加强部位剪力设计值得放大系数，就是为了防止墙肢早于弯曲破坏发生剪切破坏。当连梁发生脆性破坏，连梁将丧失其承受载能力，如果沿剪力墙全高所有的连梁均发生剪切破坏，连梁就会丧失对墙肢的约束作用，从而使墙肢成为单片的悬臂墙。由此将导致剪力墙结构的侧向刚度大大降低，变形加大，墙肢弯矩加大，并且进一步增加P-△效应，并最终可能导致结构的倒塌。为了防止连梁早于弯曲破坏而发生剪切破坏，《建筑抗震设计规范》对连梁截面的剪压比限值和抗震等级为一、二级时连梁端部建立设计值得调整系数作了具体的规定。 

　　1.2.2 联肢墙的延性破坏。 

　　联肢墙的延性破坏也可分为两种情况：墙肢发生延性破坏和连梁发生延性破坏。当墙肢首先发生弯曲破坏，连梁尚未屈服，剪力墙结构在破坏时极限变形较小，因此，对有抗震设防要求的建筑来说，它虽然是一种延性破坏，但耗能能力较差，结构设计中应该避免这种情况发生。当连梁先屈服，连梁端部出现垂直裂缝，受拉区出现细微裂缝，在水平地震作用下出现交叉裂缝，并形成塑性绞，结构刚度降低，变形加大，从而吸收大量的地震能量，同时结构的地震效应减小。另一方面，连梁出现塑性绞铰后并未完全丧失承载能力，它仍能通过塑性铰继续传递一定的弯矩和剪力，对墙肢起到一定的约束作用。研究指出，为了保证联肢墙的延性要求，对连梁的延性要求非常高的。因此，在设计高层建筑剪力墙时，必须十分注意保证连梁的延性系数。 

　　2. 几种新型连梁结构体系 

　　为解决传统所存在的设计问题，目前有如下几种新型连梁结构体系： 

　　2.1 斜对角交叉配筋钢筋混凝土连梁结构体系。 

　　20世纪70年代初，为解决跨高比较小的深连梁的设计问题，新西兰T.paulay教授等提出了斜对角交叉配筋的连梁。该连梁受力及变形性能较好，滞回曲线丰满、稳定，耗能性能好，延性大。但该连梁采用对角线配筋用钢量大、施工要求高，推广应用受到一定的限制。 

　　2.2 菱形配筋混凝土连梁结构体系。 

　　为了克服上一种连梁结构体系的不租，上海城市建设学院的戴瑞同等人提出菱形配筋钢筋混凝土连梁结构体系。该连梁具有较好的受力性能，在跨高比、纵向配筋率等条件相同的情况下，其各项性能指标均优于传统连梁。菱形配筋连梁的强屈比高于平行配筋连梁，由于主斜向钢筋承担了大部分剪力，使得其所能承受的剪力高于传统连梁，降低了连梁扭剪变形在总变形中所占的比例。同时，菱形配筋连梁所能达到的转角延性系数和功比指数均高于传统连梁，说明该连梁体系可较大程度地提高连梁延性和耗能性能。但该连梁在施工等方面要求较高，推广应用也要受到一定的限制。 

　　2.3 菱形斜筋钢筋混凝土连梁结构体系。 

　　重庆大学土木工程学院的傅剑平、白绍良等人提出了在传统配筋的基础上同时加设交叉斜筋和由上下两组相互倒置的L形筋组成的菱形斜筋的新型连梁结构体系。其主要优势表现在双向交叉斜向钢筋在梁腹内布置较分散、较均匀，不仅可以有效防止过早发生的“错动型剪切破坏”，而且能使腹板混凝土沿斜向较均匀受压，加之斜筋分担了部分斜向压力，而L形筋还提供了少量侧向约束，因而由梁腹混凝土斜向压渍导致的剪切破坏发生较迟，使连梁发挥出良好的延性性能。 

　　2.4 劲性钢筋混凝土连两结构体系。 

　　高层剪力墙结构由于建筑、设备安装及经济上的要求，连梁高度受到限制。而采用劲性钢筋混凝土连梁结构，通过增加用钢量以减小连梁截面尺寸，来满足要求。20世纪90年代初期，有关学者进行劲性钢筋混凝土连梁结构体系的研究。结果指出，该连梁具有较大的变形能力和延性系数，且随着变形的增大，滞回曲线变得十分丰满，表现出很强的抗震耗能能力。所以，该连梁的应用为连梁结构设计提供了新型的结构形式。 

　　2.5 新型组合连梁控制结构体系。 

　　该新型组合连梁是由角钢组成的空间桁架组成，和传统连梁相比自重降低，墙肢中的轴力减小；钢桁架结构不但延性好，而且受力机理也比钢筋混凝土结构简单明了，便于设计成延性破坏的连梁；在中间支撑上可以非常方便地设置摩擦耗能阻尼控制装置，可以有效地实现耗能减震，进而提高剪力墙结构体系的整体抗震性能；在大震情况下，梁端产生塑性铰之后会影响正常使用，采用钢结构连梁可以很方便地更换维修，这一点是钢筋混凝土连梁几乎无法实现的。总之，该新型组合连梁为结构设计提供了一种新的选择。

　　3. 连梁设计的建议 

　　在带连梁的剪力墙设计中，连梁的跨高比和截面尺寸受到许多因素的影响，跨高比常小雨2.5或更小。这类连梁在水平地震作用下容易出现承载力超限的情况，如果结构只有少量连梁承载力超限，当这些连梁出现并形成塑性铰时，就会有部分弯矩转移墙肢。一般情况下，墙肢的强度应当承受这些增加的弯矩。如果沿墙身有较多的连梁超限而屈服时，墙肢就会增加较大的弯矩，应当考虑对结构进行修改，或重新进行结构计算。下面对剪力墙连梁设计时，连梁出现承载力超限或连梁截面不符合设计要求，提出设计建议。 

　　3.1 对连梁的刚度进行折减。 

　　（1）连梁由于跨高比较小，与之相连的墙肢刚度大等原因，在水平力作用的内力往往很大，连梁屈服时表现为梁端出现裂缝，刚度减小，内力重分布。因此在开始进行结构整体计算时，就需对连梁刚度进行折减。根据《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》第5.2.1条规定：“在内力与位移计算中，抗震设计的框架一剪力墙或剪力墙结构中的连梁刚度可予以折减，折减系数不宜小于0.5”。 

　　（2）该规程之所以考虑对连梁的刚度进行折减，是由于在水平荷载作用下，混凝土的开裂引起了刚度的降低。在水平地震作用下，连梁的裂缝开展和塑性变形壁在风荷载作用下的更大。因此，连梁在水平地震作用下的刚度降低的更多。但是，连梁的刚度折减得愈多，即连梁取用的折减系数愈小，就意味着设计荷载作用下裂缝开展得愈大。在承载力超限时，如发生强风或地震烈度超过多遇地震烈度时，连梁的塑性铰也会出现的愈早，这就要求设计人员更加注意加强连梁的延性和使连梁符合“强剪弱弯”的要求。 

　　（3）对于以风荷载为控制因素的高层建筑，为了避免连梁在使用荷载作用下裂缝开展过大，刚度折减系数应取较大值；对于以水平地震作用为控制因素的高层建筑，则可取较小的刚度折减系数，但为了保证连梁的延性要求，连梁的刚度折减系数不应小于0.5；《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》还规定“在竖向荷载作用下可以考虑梁端塑性变形内力重分布，而对梁端负弯矩进行调幅”。因此，在计算连梁竖向荷载作用下的内力时，对已经考虑了梁端负弯矩调幅的连梁，不应再考虑刚度折减。 

　　3.2 增加剪力墙洞口的宽度、减小连梁高度。 

　　增加剪力墙洞口的宽度，即增加连梁跨度，减小连梁高度，其目的是减小连梁刚度，同时由于减小了结构的整体刚度，也就减小了地震作用的影响，使连梁的承载力有可能不超限。 

　　3.3 提高混凝土等级。 

　　提高剪力墙的混凝土等级，其弹性模量（反映为结构的地震作用影响）增加的比例远小于混凝土抗剪承载力提高的比例，因此也有可能使连梁的抗剪承载力不超限。 

　　3.4 连梁刚度折减后，仍有部分连梁承载力不符合要求时的处理。 

　　（1）《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》第7.2.25条规定了连梁可进行弯矩调幅以降低剪力设计值。首先，连梁的弯矩实际值包括竖向和水平两部分荷载所产生的内力。关于竖向荷载作用下的连梁负弯矩的调幅前面已作分析，此处的弯矩调整不应该包括竖向荷载产生的弯矩在内。 

　　（2）其次，对连梁的刚度已经充分折减后，弯矩调整应慎重。同样，当为荷载控制时，在对连梁刚度进行折减后，连梁的弯矩设计值不宜再进行调整。在进行塑形内力重分布时，平衡条件是必须满足的，故用提高其它部位连梁的弯矩来满足平衡条件是否合理，值得考虑。由于墙肢的抗弯刚度较大，内力的重分布将由墙肢承担相当大的比例，只有当墙肢屈服了，全部不平衡弯矩才会通过墙肢的轴力向上下层的连梁转移。而墙肢的屈服一般晚于连梁的屈服，因此，简单地将不平衡弯矩项连梁转移是不合理的。同时，连梁弯矩的增加，其剪力也会增加，且连梁的跨高比较小，故在连梁产生塑性铰之前，连梁可能超过其最大抗剪承载力，如前所述，连梁将发生脆性破坏。因此，当发生连梁的截面抗剪承载力超限时，应该按照“强剪弱弯”的原则，反算出连梁的弯矩，以此作为连梁的最大弯矩进行调整。调整的幅度也不宜超过20%。 

　　（3）对于风荷载起控制作用的高层建筑，如果对超限的连梁采取刚度折减后，仍未能解决其承承载力超限时，不宜再对连梁的内力进行调整。而应采取增加剪力墙的厚度，以提高连梁的抗剪承载力，使连梁的内力符合截面设计的要求。同时，也可以增加剪力墙洞口的宽度、减小连梁高度，以降低连梁的刚度，使连梁的内力符合截面设计的要求。 

　　（4）对于水平地震作用起控制的高层建筑，如果对超限的连梁采取刚度折减后，仍未解决其承载力超限时，应具体情况具体分析，采取相应的措施：首先，如果超筋或超限的连梁数量较多、结构的刚度较大、位移比规定的限值小得较多时，可采取增加剪力墙洞口的宽度、减小连梁高度等方法，使连梁的内力减小。其次，如果只有部分连梁超筋或超限，可采取调整连梁内力的方法来解决，具体措施如前所述，调整的幅度不宜超过20%，且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。最后，如果结构的刚度较小，则不应该再对连梁的内力进行调整，而应采取增加剪力墙的厚度等方法，以减小连梁的内力，使之符合要求。 

　　参考文献 

　　[1] 吴学敏. 高层建筑剪力墙中连梁设计的探讨[J]，建筑结构学报，2011，16（1）. 

　　[2] 建筑抗震设计规范（GB50011-2011）[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.