连梁抗剪配筋的讨论及优化

剪力墙是常用的结构体系之一，如：多高层住宅的全剪力墙或者框架-剪力墙，多高层公建如：商场、办公、酒店等的框架-剪力墙、框架-核心筒或者筒中筒（核心筒是由多片剪力墙组合而成的空间结构）。剪力墙设计中，最常见的也是最难处理的问题就是连梁抗剪的超筋超限，很多资料已经对此进行过分析并提出处理措施，本文就不再敷述了（若确有强烈需求的，后续再拟文将各种措施收集汇总后供大家参考吧）。本次主要是针对连梁的抗剪钢筋配置进行对比分析研究。

规范对连梁的抗剪截面验算、抗剪承载力以及超限的建议措施等，都有明确要求。如，《高规》的“剪力墙结构设计”一章中，具体如下图所示：

抗剪截面验算

抗剪承载力验算

连梁超限处理建议

大部分情况下，抗剪钢筋的配置方式就是竖向箍筋。少数情况下也可见交叉斜筋、对角斜筋或对角暗撑等，特别是核心筒结构中跨高比较小的连梁。

在《钢筋混凝土梁集中力处附加钢筋的优化》一文中，已分析对比过抵抗竖向力时竖向箍筋与斜向吊筋的区别，结论是斜向吊筋的受力效率较低、构造用量较多、性价比较差等。初步类比可知，抵抗竖向剪力时，连梁斜向筋的受力效率、材料用量等也是不及箍筋的。

但是既然规范有相关内容、实际设计中也时有应用，说明斜向筋还是有其适用范围及某方面优势的，集中力附加横向钢筋的比选结果不能简单地全盘套用。以下就进行详细分析讨论。

连梁抗剪主要包括抗剪截面验算及抗剪承载力设计，砼是其中最主要的参数（跟梁集中力验算只跟钢筋有关的最大不同点）。

一、抗剪截面验算只跟砼相关，与钢筋无关。

抗剪截面验算结果主要取决于系数值。根据《砼规》可知，布置斜向筋与否，抗剪系数取值也不相同。

《砼规》配置斜向筋的抗剪截面验算公式

《砼规》配置箍筋的抗剪截面验算公式

对比两个公式可知，同为跨高比≤2.5（适用于一、二级抗震的，理论上也可推广应用至三、四级抗震及非抗震），布置斜向筋后，抗剪系数从0.15改为0.25、提高了66%，抗力提高后截面验算会更容易通过。

众所周知，抗剪截面超限是连梁设计中最常见的问题难题。抗剪截面条件虽然不是规范强条，但基于“强剪弱弯”的概念，设计人员和审图人员对此都是从严要求的，但实际设计中总会遇到部分连梁超限、且很难调整通过的情况。

比如：剪力500kN>截面抗剪值450kN，差值约10%，设计人员如果想着适当加大截面来补足，就会发现：将加大截面后的连梁输入模型重新计算复核时，差值不但没有弥补、反而是加大了，即超限情况更严重了。为什么会这样？其实简要分析一下就明白了：连梁的抗剪截面积=b*h0，加大高度后抗剪截面积是线性增长；而连梁受力分配跟其抗弯刚度相关、抗弯刚度又跟截面惯性矩bh³/12相关,是3次方增长；即抗力增长速度 <效应< pan> 增 长 速度， 所以 越是加 大 连梁高度越 容易 超限，此时 宜反向 做减法 、适当 降低梁高 。当然， 连梁高度也不可能无限取小， 以下 情况，如： 1 、 整体 抗侧刚度 需要。较强 的 连梁 可以将独立墙肢 连接 成联肢墙、小开口整体墙等共同受力，提高抗侧刚度。 2 、 承受 竖向荷载需要。 部分 连梁需要承受 相连 楼板 传来 的 较大 竖向荷载 ， 对 承载力 能力有 一定 要求。 3、屈服 耗能需要。连梁是 设计期望 可首先进入屈服耗能的 构件 、 起到 保护竖向构件 的 作用，截面太小保护能力不足等 ； 都要求连梁具有一定的高度。

设置斜向筋后，相同截面下的抗剪值提高了66%，这对解决抗剪超限的难题是很有帮助的、特别是连梁高度不宜取小的情况下；当抗力>>效应富余较多时，也可适当减小高度，此时抗力降低速度 <效应降低< pan> 速度 ， 抗剪验算更容易解决了。

二、抗剪承载力跟砼和钢筋都相关。

抗剪承载力包括砼、箍筋及斜向筋3部分的贡献，不同情况下各部分的系数取值也是有差异的。

《砼规》配置斜向筋的抗剪承载力验算公式

《砼规》配置箍筋的抗剪承载力验算公式

    可见，加斜向筋后砼项系数从0.38变为将0.4提高约5%，箍筋项系数从0.9变为0.6降低约50%；钢筋的抗拉能力及贡献比例，远高于砼，上述系数调整后砼+箍筋的抗剪承载力是有所下降的，斜向筋的抗剪效率又是低于箍筋的；总体而言，设置斜向筋的综合抗剪效率也是有所下降的。

《砼规》中关于斜向筋的设置没有限定结构体系，《高规》中则限定为筒中筒结构中的外框筒及内筒连梁。实际项目中，公共建筑常会设置核心筒，筒内布置较多的设备房间，设备间门较窄较矮导致其上的连梁跨高比均较小，容易出现抗剪超限超筋问题，也较符合规范中设置斜向筋的适用条件；设计人员也经常把设置斜向筋作为一种加强措施，但对其受力效率、性价比等就没有定量的直观认识。下面就取一具体截面，通过自编Excel表可对不同配筋方式的抗剪截面、抗剪承载力及其材料用量进行定量的分析对比。

设：一级抗震的连梁截面400x1000，跨度1m，C50砼。剪力值1500kN。对比结果截图如下：

主要结论如下:

1、配置箍筋的抗剪截面限值为1574kN，配置斜向筋的抗剪截面限值为  2623kN，增幅约66%。反之，即配置斜向筋的截面尺寸可降至400x600仍可满足截面验算。

2、统一采用400x1000截面时，配置箍筋的用量约40kg，钢筋+砼费用约484元；配置交叉斜筋的钢筋用量约143~166kg，钢筋+砼费用约1097~1236元；配置对角斜筋（斜撑）的钢筋用量约152kg，钢筋+砼费用约1150元。箍筋的受力效率、成本等明显占优，施工也最简便。

3、配置斜向筋后减小截面至400x600时，配置交叉斜筋的钢筋用量约189kg，钢筋+砼费用约1280元；配置对角斜筋（斜撑）的钢筋用量约177kg，钢筋+砼费用约1206元。总体费用比不减小截面的多，主要是斜向筋倾角变平缓导致其抵抗竖向力的效率降低、用量增加。

4、统一采用400x1000截面，仅配置箍筋时，砼+箍筋外Φ12+内Φ10@100（4）的抗剪承载力1736kN；配置斜向筋时，相同配置的砼+箍筋的抗剪承载力仅1283kN。计算公式中各项系数取值的不同，影响了承载力计算结果。

5、采用400x1000截面、且配置斜向筋时，箍筋采用外Φ12+内Φ10@100（4）或者Φ10@100（2）的，交叉斜筋的计算面积及用量基本相同（第2小点的交叉斜筋方式的钢筋用量有个变化幅度，就是箍筋量的变化对比）。公式中的箍筋与斜向筋的配筋强度比???fsvAsvh0)/(sfydAsd)取值要求介于0.6~1.2，严重限制了箍筋的贡献。常规情况下，箍筋满足构造要求即可。

6、 交叉斜筋可与砼、箍筋共同承担剪力，对角斜筋（斜撑）需要单独承受全部剪力，但两者钢筋用量及费用差别不大。主要原因是交叉斜筋中方式中4组折线筋的构造相对复杂其用量较多，施工也较复杂。

7、对角斜撑需自设封闭小箍筋，但连梁箍筋间距可放大至@200mm，总钢筋用量较对角斜筋的略低。

8、对角斜筋和对角斜撑的计算公式相同，直观理解上存在疑问。梁端抗剪时，交叉斜向筋受力是一拉一压（与中心支撑类似），斜撑有内置箍筋围闭约束，可抗拉也可抗压；斜筋无横向约束、抗压稳定性差，可抗拉不适宜抗压。计算公式是否需要调整？供大家进一步思考讨论。

综合上述分析结果，对连梁抗剪配筋设计的优化建议如下：

1、通常情况下，优先采用箍筋。

2、抗剪截面超限时，可采用减小梁高、梁端点铰、按塑性铰折算有效截面、竖向分层连梁等常用措施；确实仍难以调整通过时，可设置斜向筋以提高截面抗剪能力。

3、计算软件的特殊构件定义里面，有“斜向筋”选项。可以根据初次计算结果，对部分超限连梁指定“斜向筋”后重新计算，可大幅减少抗剪超限现象。

4、设置斜向筋时，箍筋仅需满足最小直径及最大间距要求。

知识点：连梁抗剪配筋的讨论及优化

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