郭培成

(廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建漳州 363105)

剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁作為重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件之一，具有跨度小、截面大、相連墻肢剛度較大等特點(diǎn)。高層建筑在水平風(fēng)荷載和水平地震作用下，不論是剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，還是筒體結(jié)構(gòu)，連梁都很容易發(fā)生超筋超限現(xiàn)象。因此采取必要措施，保證連梁截面符合設(shè)計(jì)要求，研究鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)及其破壞模式仍具有普遍適用性，而作為耗能構(gòu)件的連梁，如何保證連梁不發(fā)生剪切破壞，并解決設(shè)計(jì)中遇到的超筋超限問(wèn)題便成為一個(gè)棘手又重要的研究?jī)?nèi)容。

1 工程概況

某高層住宅樓,鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。地下室為兩層,層高依次為4.6 m和4.8 m；地上27層, 地上1層建筑層高為4.5 m;2～4層層建筑層高為4.2 m，為商務(wù)酒店、商場(chǎng);其他層為民用住宅,層高度為3 m,建筑高度91.5 m,結(jié)構(gòu)高度86.7 m，總建筑面積17 215 m2?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g,地震分組第三組,基本風(fēng)壓0.60，計(jì)算承載力時(shí)取基本風(fēng)壓的1.1倍，位移計(jì)算取基本風(fēng)壓, 結(jié)構(gòu)體型系數(shù)1.4，基本雪壓0.3,建筑物抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50 a，使用年限70 a，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。本結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的PKPM系列SATWE ( V4.2版)。

2 連梁設(shè)計(jì)與研究分析

將建筑物墻體的一部分作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結(jié)構(gòu)，稱(chēng)之為剪力墻結(jié)構(gòu)，在抗震地區(qū)也稱(chēng)為抗震墻結(jié)構(gòu)。按照J(rèn)GJ 3-2010《高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》7.1.3條，跨度與高度比小于5的連梁(即兩端與平面內(nèi)剪力墻相連)應(yīng)按照本規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，跨度與高度比不小于5的連梁宜按框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。連梁在PKPM模型中采用兩種方式進(jìn)行布置：第一種方式先布置剪力墻，然后再布置梁，使梁的跨度與高度比小于5，一般梁的截面高度較小；第二種，直接布置較長(zhǎng)的剪力墻，然后再剪力墻中開(kāi)設(shè)結(jié)構(gòu)洞口，形成連梁，一般梁的截面高度較大，即雙肢墻。分別按照下列要求進(jìn)行配置箍筋計(jì)算，跨高比大于2.5的連梁見(jiàn)式(1)、跨高比不大于2.5的連梁見(jiàn)式(2)：

(1)

(2)

2.1 連梁的受力分析

剪力墻和連梁共同作用，形成空間受力體系，共同承擔(dān)豎向荷載和水平荷載的作用，因此需保證連梁具有足夠的承載能力和變形能力。在小震作用下整體結(jié)構(gòu)仍處于彈性工作狀態(tài)，連梁不產(chǎn)生塑性變形，在中震或大震作用下整體結(jié)構(gòu)可進(jìn)人彈塑性工作狀態(tài)，連梁產(chǎn)生塑性變形。在地震作用下，連梁相對(duì)剪力墻延性較好，可以消耗地震能量，形成局部出現(xiàn)破壞，產(chǎn)生塑性鉸，但不會(huì)影響到整體結(jié)構(gòu)的安全。由于連梁的兩端與剛度較大的剪力墻剛度連接，從而使其在地震作用下分配到的地震剪力也比較大，會(huì)在連梁兩端出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)(形成轉(zhuǎn)角)，這時(shí)連梁就出現(xiàn)了塑性鉸，表明連梁己進(jìn)入彈塑性受力階段，在分配的水平荷載不斷增大的過(guò)程中，塑性鉸也不斷增大、擴(kuò)展，最后導(dǎo)致連梁破壞，退出工作。連梁在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，作為剪力墻結(jié)構(gòu)的第一道防線(xiàn)，通過(guò)破壞消耗地震能量，來(lái)保證地震作用下剪力墻不出現(xiàn)塑性鉸。在實(shí)際項(xiàng)目中，大部分剪力墻連梁超筋超限現(xiàn)象都是由于剪壓比不足造成的。為了解決這一問(wèn)題，防止連梁過(guò)早發(fā)生剪切破壞，主要從結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)兩大方面考慮。為了避免裂縫過(guò)早出現(xiàn)或混凝土過(guò)早剪切破壞，應(yīng)對(duì)連梁進(jìn)行最小截面尺寸的規(guī)定，下列公式僅僅代表地震狀態(tài)下的要求。跨高比大于2.5的連梁見(jiàn)式(3)，跨高比不大于2.5的連梁見(jiàn)式(4)。

(3)

(4)

2.2 工程上如何解決連梁破壞、超筋等現(xiàn)象

連梁作為剪力墻中的一部分，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)較大，合理的設(shè)計(jì)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)整體延性好、耗能高、剛度大、承載力高，而且也會(huì)滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)效果好。連梁作為剪力墻結(jié)構(gòu)中的第一道防線(xiàn)，應(yīng)先于墻肢發(fā)生屈服，并具有較大的延性和耗能能力。

2.3 如何確定合理的連梁截面尺寸

連梁設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)墻弱梁、強(qiáng)剪弱彎(連梁的剪力設(shè)計(jì)值等于或大于連梁在抗彎極限狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的剪力，即:

(5)

2.4 設(shè)置交叉斜筋或?qū)前祿?/h3>

通過(guò)設(shè)置一定數(shù)量的交叉斜向鋼筋，來(lái)提高連梁的抗剪能力。連梁截面寬度一般不小于250 mm，主要是為了保證鋼筋有充足的安置空間。但是一般情況下，剪力墻的墻體厚度200 mm，交叉斜向鋼筋不適合采用。設(shè)置對(duì)角暗撐，面積應(yīng)符合式(6)的要求。即:

(6)

式中：α為暗撐與水平線(xiàn)的夾角，Vb代表連梁端截面組合的剪力設(shè)計(jì)值。

2.5 設(shè)置雙連梁

雙連梁是指在連梁截面高度的中間部位設(shè)置一條水平縫，將一根連梁分為兩根小連梁，一般水平縫的寬度為50～100 mm，可保證連梁的抗剪承載力基本保持不變，而大大削弱連梁的抗彎承載力，滿(mǎn)足強(qiáng)剪弱彎的要求。例如設(shè)計(jì)中采用連梁截面尺寸為b×h=200 mm×1000 mm,將其修改為2根200 mm×500 mm。這樣相當(dāng)于減小了梁截面高度，從而降低了其剛度，其分配的剪力值會(huì)明顯下降。采用雙連梁保證了面積不變，但截面慣性矩大小不同，剛度會(huì)下降。

2.6 連梁剛度折減

在進(jìn)行計(jì)算地震作用效應(yīng)時(shí)，由于相對(duì)于剪力墻而言，剛度較小，而受到的彎矩和剪力較大，配筋設(shè)計(jì)較為困難。因此JGJ 3-2010《高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.2.1條規(guī)定，對(duì)剪力墻連梁剛度予以折減，折減系數(shù)不宜小于0.5?？拐鹪O(shè)防烈度越低，折減系數(shù)越大，一般6度、7度設(shè)防區(qū)折減系數(shù)0.7左右，8度、9度抗震設(shè)防烈度區(qū)為0.5～0.55。目的是減少地震作用下的連梁受力，但當(dāng)連梁剪力作用效應(yīng)最不利值由風(fēng)荷載控制時(shí)，連梁剛度不宜折減。

2.7 荷載表現(xiàn)小的情況

當(dāng)連梁破壞對(duì)承受豎向荷載無(wú)明顯影響時(shí)(無(wú)樓面梁支撐在連梁上時(shí))，可考慮在大震作用下該連梁不參與工作，按獨(dú)立墻肢進(jìn)行第二次多遇地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，墻肢應(yīng)按兩次計(jì)算的較大內(nèi)力進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，同時(shí)連梁本身宜滿(mǎn)足非抗震設(shè)計(jì)的承載力和正常使用要求。

3 具體工程案例分析

通過(guò)PKPM的計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)中，在下部2～7層出現(xiàn)了連梁抗剪不滿(mǎn)足要求以及Y方向的位移角為1/920不符合要求，本建筑結(jié)構(gòu)方案平面中，X方向尺寸大，長(zhǎng)寬比達(dá)到了3.7倍，因此Y方向剛度較小，其它指標(biāo)均符合。由于剪力墻的數(shù)量、厚度、長(zhǎng)度、混凝土等級(jí)均受到建筑功能的約束，無(wú)法進(jìn)行調(diào)整，僅能通過(guò)修改框架梁、連梁的截面尺寸來(lái)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的剛度，從而符合位移角的要求。為了使結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足各項(xiàng)指標(biāo)的要求，分別進(jìn)行了各種方案的比較分析：

(1)第一種方案是采用加大部分框架梁的截面尺寸，但使其跨度與高度比不小于5，框架梁截面尺寸由200 mm×450 mm、200 mm×500 mm、250 mm×450 mm、250 mm×500 mm分別提高至200 mm×550 mm、250 mm×550 mm，經(jīng)過(guò)重新計(jì)算分析，連梁抗剪不滿(mǎn)足要求的位置和數(shù)量變化不大，位移角僅發(fā)生很小變化，變?yōu)?/938，仍不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(2)第二種方案調(diào)整連梁的尺寸，如果減小連梁截面尺寸，會(huì)導(dǎo)致連梁的剛度下降，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的剛度下降，這種方案不適合。

(3)第三種方案加大連梁截面尺寸，由原來(lái)的跨高比4.5分別增加至4、3.5、3、2.5等，這樣可能會(huì)導(dǎo)致連梁承擔(dān)更多的內(nèi)力分配，使其內(nèi)力增加的幅度大于截面加大抗力增加的幅度，這樣也不一定會(huì)滿(mǎn)足要求。經(jīng)過(guò)處理，部分連梁滿(mǎn)足最小截面尺寸驗(yàn)算，滿(mǎn)足了抗剪要求，但還有部分連梁仍受剪不滿(mǎn)足要求。剩余部分不滿(mǎn)足抗剪要求的連梁，通過(guò)采用雙肢墻來(lái)實(shí)現(xiàn)連梁，這樣這樣處理后，雙肢墻中的部分連梁滿(mǎn)足了抗剪要求，原因是連梁剛度增加、抗剪能力加強(qiáng)，開(kāi)洞口后形成連梁，混凝土標(biāo)號(hào)同剪力墻，提高了混凝土標(biāo)號(hào)，參考式(2)、式(4)說(shuō)明，混凝土標(biāo)高提高對(duì)于連梁的抗剪有幫助。其余的連梁通過(guò)設(shè)置雙連梁，減小連梁的受剪效應(yīng)；對(duì)于二層樓面的兩根連梁，通過(guò)設(shè)置交叉斜筋或?qū)前祿蔚姆绞剑蛊錆M(mǎn)足了要求。經(jīng)過(guò)處理，滿(mǎn)足了連梁的抗剪要求，同時(shí)位移角為1/1070。

4 結(jié)論

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，連梁設(shè)計(jì)的合理與否直接影響剪力墻的受力性能及整體結(jié)構(gòu)的安全性、合理性；連梁的強(qiáng)剪弱彎設(shè)計(jì)是為了更好地提高連梁延性，控制其合理的截面尺寸尤為重要；設(shè)置雙連梁、交叉斜筋、對(duì)角暗撐等要針對(duì)具體情況，不要盲目地一起處理；對(duì)連梁出現(xiàn)的問(wèn)題應(yīng)圍繞概念設(shè)計(jì)解決問(wèn)題；合理設(shè)置墻肢，避免連梁屈服早于墻肢屈服。