高層剪力墻結構連梁的設計與分析

韓 博

（西部建筑抗震勘察設計研究院 710054 西安）

1.引言

    進入21世紀以來，隨著我國經濟的高速發展和建筑技術的進步，高層建筑以驚人的速度步入人們的視野。由于剪力墻結構具有較大的抗側剛度和豎向承載力，已被結構工程師廣泛的應用于高層建筑結構體系設計中。剪力墻結構中的連梁是為解決建筑專業門、窗洞口的需要而設置的。因連梁兩端與剪力墻或框架柱相連，在地震荷載和風荷載作用下，連梁將產生很大的內力。所以在設計時，即便采取了降低連梁內力的各種措施，仍難使連梁的設計符合規范要求。

2.剪力墻連梁的概念及與框架梁的區分

    2.1 剪力墻連梁的概念

    在高層剪力墻結構設計中，為滿足建筑專業的要求，剪力墻墻肢上經常需要開設一些洞口，而分布于洞口上、下側的梁稱為連梁。

    2.2 剪力墻連梁與框架梁的區分

    由于連梁能把墻與墻或墻與柱之間連接起來相互傳力，使兩個相離的構件形成一個整體，因此連梁本身必須具備一定的剛度要求。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第7.1.3條的規定，對跨高比小于5的梁應按連梁設計，因為連梁在水平荷載作用下所產生的彎矩與剪力都比較大，對剪切變形的影響十分敏感，容易出現剪切裂縫，在豎向荷載作用下的彎矩比較小；而對跨高比不小于5的梁宜按照框架梁設計，框架梁在豎向荷載作用下的彎矩比較大，水平荷載作用下所產生的彎矩和剪力都比較小，此時梁的受力特點更接近于框架梁。框架梁在剪力墻結構中雖起到傳力的作用很小，但它的抗震等級應與所連接的剪力墻抗震等級相同。

3.剪力墻連梁在水平荷載作用下的破壞形式

    高層建筑剪力墻連梁在水平荷載作用下其破壞形式有兩種，即脆性破壞（剪切破壞）和延性破壞（彎曲破壞）。

    3.1 脆性破壞（剪切破壞）

    所謂脆性破壞是指當結構構件受地震作用影響時，無塑性變形的發生，吸收的地震能量少，結構整體已喪失了承載變形的能力，造成建筑物倒塌。

當高層剪力墻連梁在建筑物的某個部位發生脆性破壞時，表明該連梁已喪失了承受水平荷載的能力，在沿剪力墻全高范圍內的所有連梁均發生脆性破壞時，說明各墻肢喪失了連梁對它的約束作用，成為獨立的單片墻，這種破壞形式會使結構的側向剛度大大降低，墻肢彎矩和變形增大，最終可導致建筑物倒塌。

    3.2 延性破壞（彎曲破壞）

    所謂延性破壞是指當結構構件受地震作用影響時，能夠發生塑性變形，雖較早出現損壞，但仍能傳遞彎矩和剪力，吸收的地震能量多，能經受住較大的變形，避免建筑物倒塌。

    當高層剪力墻連梁發生延性破壞時，在連梁的不同部位會出現裂縫，形成塑性鉸，這說明結構的剛度降低，變形加大，吸收了大量的地震力。而此時的連梁仍能通過塑性鉸傳遞彎矩和剪力，對墻肢起到一定的約束作用，使剪力墻保持足夠的剛度和強度。在此過程中，連梁起到了一種耗能作用，對減少墻肢內力，延緩墻肢的屈服起到了重要作用。

    從上述連梁的兩種破壞形式分析中表明，在設計連梁時，應按照現行規范的要求保證“強剪弱彎”的設計原則。因此在《高層建筑混凝土結構技術規程》中規定了連梁截面剪壓比的限值和抗震等級為一、二、三級時連梁端部剪力設計值的調整系數，也是為了防止連梁的剪切破壞早于彎曲破壞的發生。

4.剪力墻連梁的結構設計

    連梁的強度、剛度以及延性是能夠對剪力墻結構自身的抗震性能產生較大影響的因素。理想的設計是連梁應比墻肢更早屈服，且連梁的延性非常強。當連梁的端部產生塑性鉸時，塑性鉸能將地震能量吸收，還可將彎矩與剪力持續傳遞，對墻肢產生的約束彎矩使得剪力墻能夠保持足夠的承載力和剛度，而且墻肢底部的塑性鉸同樣具備延性。因此根據規范要求的“強剪弱彎”設計原則，在進行連梁和墻肢設計時，應使其具備良好的延性，為整個建筑物提供多道抗震防線。實際工程中，當剪力墻連梁截面不滿足以上設計原則時，根據現行規范要求，可采取以下幾項措施：

    4.1 減小連梁截面高度或增加剪力墻洞口寬度

在設計連梁時，當連梁的彎矩或剪力超過規范所規定的限值時，我們一般可以采取減小連梁截面高度或增加剪力墻洞口寬度的方法來減少連梁剛度。這種作法使得結構的整體剛度和地震作用大大降低，最終設計出的連梁承載力能夠滿足規范要求。

    4.2 連梁在進行抗震設計時，可對其彎矩與剪力進行塑性調幅

連梁塑性調幅可采用兩種方法：①在內力計算前，將連梁剛度進行折減；②在內力計算后，將連梁彎矩及剪力組合值乘以折減系數。以上兩種方法的效果都是減小連梁內力和配筋。

    無論用什么方法，連梁在調幅后的彎矩及剪力設計值都不應低于使用狀況下的值，也不宜低于比設防烈度低一度的地震作用組合下所得的彎矩設計值，其目的是避免在正常使用條件下或較小的地震作用下連梁上出現裂縫。

    抗震設計時，連梁剛度折減系數的取值，應滿足連梁正常使用極限狀態下的要求，一般與設防烈度有關，設防烈度高時可多折減一些，設防烈度低時可少折減一些，但一般不小于0.5。當連梁剛度折減系數取值小于0.5時，與之相連的剪力墻墻肢設計應當加強，連梁本身必須滿足非抗震設計的承載能力和正常使用極限狀態的設計要求。因此在內力計算時已經降低了剛度的連梁，其調幅范圍應當限制或不再繼續調幅，一般情況下可掌握調幅后的彎矩不小于調幅前彎矩（完全彈性）的0.8倍（6、7度）和0.5倍（8、9度）。

    4.3 采用多道設防方法進行設計

    當連梁破壞后對承受豎向荷載無明顯影響時，可考慮在大震作用下該連梁不參與工作，按獨立墻肢進行第二次多遇地震作用下結構內力分析，墻肢應按兩次計算所得的較大內力進行配筋設計，即假定連梁在大震下破壞，不能再約束墻肢。因此可以考慮連梁不參與工作，而按獨立墻肢進行第二次結構內力分析，這時就是剪力墻的第二道防線，此時剪力墻的剛度降低，側移允許值增大，這種情況往往使得墻肢的內力及配筋增大，以保證墻肢的安全。

5.剪力墻連梁在設計時的配筋問題

    在水平地震荷載作用下，剪力墻連梁的內力變形非常大，連梁的超筋、超限現象非常普遍，雖然在設計時根據規范要求采取了一定的處理措施，但有些連梁超筋、超限問題未能解決。因此有些設計人員將連梁的縱筋、箍筋配的很大，遠遠超出了連梁的實際最大有效配筋。這種做法不僅在工程造價上產生了極大的浪費，而且未能有效地改善連梁的整體抗震性能。試驗數據表明當連梁的剪力設計值超過規范所允許的截面限值時，其所多配置的鋼筋未能有效地改善連梁的承載能力，而且還會使連梁變為“強彎弱剪”構件，結構剪切變形的發生先于彎曲變形。這種做法有悖于我們的設計初衷，在設計時應當避免。因此當有些連梁出現超筋、超限且所采取的處理措施未能解決問題時，我們可按照《高層建筑混凝土結構技術規程》第7.2.21與7.2.22條公式先計算出連梁所能承擔的最大剪力設計值，根據最大剪力設計值再導算出連梁所能承擔的最大彎矩設計值，由此計算出連梁縱筋和箍筋的最大配筋值，以滿足設計要求。

6.剪力墻結構中的新型連梁

    6.1 交叉斜向配筋連梁

    在實際工程中，也常采用斜對角交叉斜筋配筋或斜對角暗撐配筋的鋼筋混凝土連梁。這種形式的連梁具有良好的抗震性能，與普通連梁相比，它具有更好的延性和耗能性能。

    6.2 設置水平縫的雙連梁

    對于跨高比較小的高連梁，可在梁中部設置水平通縫使之形成上、下雙連梁。這種做法有效地降低了連梁高度，使其跨高比顯著提高。在地震作用時，連梁發生延性較好的彎曲變形，以減小剪切變形的影響。

    6.3 型鋼混凝土連梁

    型鋼混凝土連梁是指通過在普通鋼筋混凝土連梁內設置型鋼。該連梁具有較大的變形能力和延性，對地震力具有很強的吸能作用。因此，該連梁的應用對于連梁結構設計提供了新的結構形式。

    6.4 鋼桁架組合連梁

該新型組合連梁是由角鋼組成的空間桁架結構，它具有自重輕的特點，使得墻肢中的軸力減小。鋼桁架連梁不但延性好，而且受力原理也比普通鋼筋混凝土連梁簡單明了。且在鋼桁架的中間支撐上可以非常方便的設置摩擦耗能阻尼控制裝置，此裝置可以有效地實現耗能減震，進而提高剪力墻結構體系的整體性能。鋼桁架連梁還可以在日常使用中方便的更換維修，該特點是鋼筋混凝土連梁無法實現的。

7.結束語

    高層剪力墻連梁作為剪力墻結構體系第一道抗震防線和主要耗能構件，其設計的合理與否直接決定著建筑物抗震性能的好壞。剪力墻連梁的設計應遵循規范所要求的“強剪弱彎”原則，把連梁的延性設計與良好的耗能性能相結合統一，使之在剪力墻結構體系中充分發揮作用。

參考文獻：

[1]《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）

[2]《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）

[3]《高層建筑結構設計》   唐興榮  2007年2月

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尹維維 尚雯瀟 編輯  文徑 審核)