談高層建筑剪力墻連粱設(shè)計(jì)

李雙琴  孟海香  嚴(yán)順榮

(陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院710003  西安)

    與剪力墻相連的梁稱為連梁。連梁與墻肢一般設(shè)計(jì)要求：連梁高跨七匕宜大于6，墻段高寬比不應(yīng)小于2，而設(shè)計(jì)往往受建筑平面限制，連梁跨高比偏小，連梁剛度大。因此，高層建筑在水平力作用下，連梁的內(nèi)力往往很大。設(shè)計(jì)時(shí)，即使采取了降低連梁內(nèi)力的各種措施，如：加大剪力墻的洞口寬度；在計(jì)算內(nèi)力和位移時(shí)對連梁剛度進(jìn)行折減；對局部內(nèi)力過大層的連梁內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整等，仍無法使連梁的截面設(shè)計(jì)符合要求。因此，設(shè)計(jì)時(shí)感到無所適叢。而設(shè)計(jì)、構(gòu)造不當(dāng)將會(huì)造成結(jié)構(gòu)在抵抗水平力時(shí)的強(qiáng)度、剛度不符合要求，進(jìn)而影響承受豎向荷載的能力。目前多采用雙連梁進(jìn)行技術(shù)處理或采用高(JGJ3-2002)第7．2．25條進(jìn)行適當(dāng)處理。

1.聯(lián)肢墻在水平力作用下的破壞機(jī)制

    高層建筑聯(lián)肢墻在水平力作用下的破壞分為脆性破壞(即剪切破壞)和延性破壞(即彎曲破壞)兩種。

    1.1聯(lián)肢墻的脆性破壞又可分為兩種情況。

    一種是脆性破壞發(fā)生于墻肢。墻肢由于抗剪能力不夠而發(fā)生剪切破壞，會(huì)使剪力墻很快喪失承載能力。造成結(jié)構(gòu)的突然倒塌。這是設(shè)計(jì)中應(yīng)該絕對避免的。抗震規(guī)范里規(guī)定了抗震墻截面的剪壓比限值和抗震等級為一、二級時(shí)抗震墻底部加強(qiáng)部位剪力設(shè)計(jì)值的放大系數(shù)，就是為了防止剪力墻早于彎曲破壞而發(fā)生剪切破壞。脆性破壞的第二種情況是連梁發(fā)生剪切破壞。連梁發(fā)生剪切破壞會(huì)使聯(lián)肢墻各墻肢喪失連梁對墻肢的約束作用。在沿墻全高所有連梁均發(fā)生剪切破壞時(shí)，聯(lián)肢墻的各墻肢將成為單片的獨(dú)立墻，這會(huì)使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大降低，墻肢彎矩加大。抗震規(guī)范里規(guī)定了連梁截面的剪壓比限值和抗震等級為一、二級時(shí)連梁端部剪力設(shè)計(jì)值的調(diào)整系數(shù)，也是為了防止連梁早于彎曲破壞發(fā)生剪切破壞。但是，和第一種墻肢發(fā)生剪切破壞相比，連梁發(fā)生剪切破壞時(shí)結(jié)構(gòu)尚未喪失承載能力，在墻肢破壞前，只要所考慮的連梁不承擔(dān)較大的豎向荷載，還不會(huì)造成結(jié)構(gòu)的倒塌。

    1.2剪力墻的延性破壞也可分為兩種情況

    一種是連梁不屈服，墻肢首先發(fā)生彎曲破壞，這種墻在破壞時(shí)的極限變形較小。因此，對有抗震設(shè)防要求的建筑來說，它雖然是一種延性破壞，但吸收地震能量的能力是較低的。設(shè)計(jì)中應(yīng)避免這種情況的發(fā)生。延性破壞的第二種是連梁先屈服，最后是墻肢的屈服。當(dāng)連梁有足夠的延性時(shí)，它能通過塑性鉸的變形吸收大量的地震能量。同時(shí)，通過塑性鉸仍能繼續(xù)傳遞彎矩和剪力，對墻肢起到一定的約束作用，使聯(lián)肢墻保持足夠的剛度和強(qiáng)度。這是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先考慮做到的。為了保證聯(lián)肢墻的延性要求，對連梁的延性要求是非常高的。因此，在設(shè)計(jì)高層建筑剪力墻時(shí)，必須十分注意保證連梁的延性要求，要體現(xiàn)連梁做為結(jié)構(gòu)抗震第一道防線，應(yīng)具有一定的耗能能力。

    以上主要從抗震的角度分析了聯(lián)肢墻的破壞機(jī)制。對于非抗震的情況，水平作用力主要是風(fēng)荷載。風(fēng)荷載是一種實(shí)實(shí)在在的荷載，可以通過結(jié)構(gòu)的抗力構(gòu)件將荷載分布開來，應(yīng)同抗震剪力墻結(jié)構(gòu)一樣，形成合理的受力和耗能機(jī)制，避免由于豎向構(gòu)件的破壞造成整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失承載能力。因此，以上關(guān)于聯(lián)肢墻破壞機(jī)制的討論在非抗震設(shè)計(jì)中是同樣有意義的。

2.連梁設(shè)計(jì)中需注意的幾個(gè)問題

    在墻肢和連梁的協(xié)同工作中，剪力墻應(yīng)該具有足夠的剛度和強(qiáng)度。在正常的使用荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)該處于彈性工作狀態(tài)，連梁不應(yīng)該產(chǎn)生塑性鉸。在地震作用下，結(jié)構(gòu)允許進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，連梁可以產(chǎn)生塑性鉸。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范總則的要求，建筑物在遭受低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，一般不損壞或不需修復(fù)仍可使用，當(dāng)遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度、的罕遇地震時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。因此，剪力墻的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證不發(fā)生剪切破壞，也就是要求墻肢和連梁的設(shè)計(jì)符合強(qiáng)剪弱彎的原則，同時(shí)要求連梁的屈服要早于墻肢的屈服，而且要求墻肢和連梁具有良好的延性。

    因此在實(shí)際工程中要使連梁設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)剪弱彎的原則就必須考慮以下幾個(gè)方面：

    2.1對連梁剛度進(jìn)行折減

    連梁由于跨高比小，與之相連的墻肢剛度大等原因，在水平力作用下的內(nèi)力往往很大，連梁屈服時(shí)表現(xiàn)為梁端出現(xiàn)裂縫，剛度減弱，內(nèi)力重分布。因此在開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，就需對連梁剛度進(jìn)行折減。折減系數(shù)在實(shí)際設(shè)計(jì)中可取大于等于0．55的調(diào)整系數(shù)以使截面設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求。

    2.2增加連梁跨度

    在連梁設(shè)計(jì)中，剛度折減后，仍可能發(fā)生連梁正截面受彎承載力或斜截面受剪承載力不夠的情況，這時(shí)可以增加洞口的寬度，以減少連梁剛度。減少了結(jié)構(gòu)的整體剛度，也就減少了地震作用的影響，使連梁的承載力有可能不超限。如果只是部分連梁抗剪超限，則可采取調(diào)整連梁內(nèi)力來解決。調(diào)整的幅度不宜大于20％，且連梁必須滿足“強(qiáng)剪弱彎”的要求。

    2.3增加剪力墻厚度

    亦即增加連梁的截面寬度，其結(jié)果一方面由于結(jié)構(gòu)整體剛度加大，地震作用產(chǎn)生的效應(yīng)增加，另一方面連梁的受剪承載力與寬度的增加成正比。墻厚增加以后，地震所產(chǎn)生的內(nèi)力并不按墻厚增加的比例分配給剪力墻，而是小于這個(gè)比例，因此有可能使連梁的受剪承載力不超限。

    2.4提高混凝土等級

    混凝土等級提高后，結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)增加的比例遠(yuǎn)小于混凝土受剪承載力提高的比例，有可能使連梁的受剪承載力不超限。

    地震區(qū)高層建筑的剪力墻連梁，在進(jìn)行了上述調(diào)整后，仍有部分不符合承載力要求時(shí)，可取連梁截面的最大剪壓比限值確定剪力。然后按“強(qiáng)剪弱彎”的要求，配置相應(yīng)的縱向鋼筋。此時(shí)，如果不能保證連梁在大震時(shí)的延性要求，應(yīng)按高規(guī)(JGJ3—2002)第7．2．25條進(jìn)行適當(dāng)處理。

    上述各種措施中，在能滿足整體剛度的情況下，可先采用連梁剛度折減，如仍超限可采用其余各種措施。

3.結(jié)語

    總之，高層建筑剪力墻連梁的設(shè)計(jì)受很多因素的制約。連梁的內(nèi)力和剪力墻的多少、每片剪力墻的水平力大小、連梁的剛度、與之相連的墻肢剛度等都有關(guān)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，問題是比較復(fù)雜的，設(shè)計(jì)時(shí)要把互相制約的因素統(tǒng)一協(xié)調(diào)，才能取得比較理想的結(jié)果。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：

[1]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(GJ3—2002)

[2]國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范}(GB50011-2001)[3]國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范}(aB50010一2002)

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尹維維 尚雯瀟 編輯  文徑 審核)