高层建筑剪力墙连梁设计的探讨

高层建筑剪力墙连梁设计的探讨

与剪力墙相连的梁称为连梁。连梁一般具有跨度小，截面大，与连梁相连的墙体刚度又很大等特点。因此，高层建筑在水平力作用下，连梁的内力往往很大。设计时，即使采取了降低连梁内力的各种措施，如：加大剪力墙的洞口宽度；在连梁中部开水平缝，在计算内力和位移时对连梁刚度进行折减，对局部内力过大层的连梁内力进行调整等，仍无法使连梁的截面设计符合要求。由于设计规范对此没有明确规定，因此，设计时感到无所适丛。而设计、构造不当将会造成结构在抵抗水平力时的强度、刚度不符合要求，进而影响承受竖向荷载的能力。本文将讨论高层建筑剪力墙中连梁设计的几个问题，并提出相应的建议。对于一端与墙相连，一端与框架柱相连的梁，可以看成是连梁的一个特例。

一、联肢墙在水平力作用下的破坏机制

高层建筑联肢墙在水平力作用下的破坏分为脆性破坏（即剪切破坏）和延性破坏（即弯曲破坏）两种。联肢墙的脆性破坏又可分为两种情况。一种是脆性破坏发生于墙肢。墙肢由于抗剪能力不够而发生剪切破坏，会使剪力墙很快丧失承载能力。造成结构的突然倒塌。这是设计所应该绝对避免的。抗震规范里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的放大系数，就是为了防止剪力墙早于弯曲破坏而发生剪切破坏。脆性破坏的第二种情况是连梁发生剪切破坏。连梁发生剪切破坏会使联肢墙各墙肢丧失连梁对墙肢的约束作用。在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时，联肢墙的各墙肢将成为单片的独立墙，这会使结构的侧向刚度大大降低，墙肢弯矩j加大。抗震规范里规定了连梁截面的剪压比限值和抗震等级为一、二级时连梁端部剪力设计值的调整系数，也是为了防止连梁早于弯曲破坏发生剪切破坏。但是，和第一种墙肢发生剪切破坏相比，连梁发生剪切破坏时结构尚未丧失承载能力，在墙肢破坏前，只要所考虑的连梁不承担较大的竖向荷载，还不会造成结构的倒塌。

剪力墙的延性破坏也可分为两种情况。一种是连梁不屈服，墙肢首先发生弯曲破坏，这种墙在破坏时的极限变形较小。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，但吸收地震能量的能力是较低的。设计中应避免这种情况的发生。延性破坏的第二种是连梁先屈服，最后是墙肢的屈服。当连梁有足够的延性时，它能通过塑性铰的变形吸收大量的地震能量。同时，通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力，对墙肢起到一定的约束作用，使联肢墙保持足够的刚度和强度。这是设计时应首先考虑做到的。为了保证联肢墙的延性要求，对连梁的延性要求是非常高的。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要求。

以上主要从抗震的角度分析了联肢墙的破坏机制。对于非抗震的情况，水平作用力主要是风荷载。风荷载是一种实实在在的荷载，不能通过结构的塑性变形来减少风荷载。但可以通过结构的塑性变形将荷载分布到其他尚未屈服的构件。通过内力重分布提高结构的整体承载能力，避免由于个别构件的破坏造成整个结构丧失承载能力。因此，以上关于联肢墙破坏机制的讨论在非抗震设计中是同样有意义的。


二、连梁设计中的几个问题

1.关于连梁刚度的折减

应该认为，之所以考虑对连梁的刚度进行折减，是由于在侧向荷载作用下，混凝土的开裂引起了刚度降低。在地震作用下，连梁的裂缝开展和塑性变形比在风荷载作用下的更大，因此，刚度降低的更多。但是，刚度折减得越多，即折减系数越小，意味着设计荷载作用下裂缝开展得越大。在超载时，如发生强大的阵风或地震烈度超过多遇地震烈度时，塑性铰也会出现得更早，这就要求更加注意加强连梁的延性和使连梁符合“强剪弱弯”的要求。

对于以风荷载为控制因素的建筑中，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。

此外，按照高规的的规定，在计算竖向荷载作用下的内力时，对已经考虑了调幅的连梁，不应再考虑刚度折减。

2.关于连梁刚度折减后，仍有部分连梁的承载力不符合要求时的处理

高规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，连梁弯矩设计值是包括竖向和水平两部分荷载所产生的内力的。竖向荷载作用下的连梁负弯矩是不能通过提高其他构件的弯矩来调整的。因此，此处的弯矩调整不应该包括竖向荷载产生的弯矩在内。

其次，对连梁的刚度已经充分折减时，弯矩调整宜慎重。同样，当为风荷载控制时，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。

在进行塑性内力重分布时，平衡条件是必须要满足的。但用提高其他部位连梁的弯矩来满足平衡条件是否合理，值得考虑。假定除超筋的那些连梁外，其他所有的连梁和墙肢均未产生塑性铰，则由于墙肢一般有相当大的抗弯刚度，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，不应简单地将不平衡弯矩向连梁转移。同时，连梁弯矩的增加是伴随着剪力同时增加的，因此在增大连梁的弯矩设计值时，也应同时增加连梁的剪力设计值。

此外，连梁跨高比一般来说比较小，因此，在连梁抗弯达到最大承载力而未产生塑性铰之前，连梁可能承受很大的剪应力而超过其最大抗剪承载力。高规中规定了连梁截面抗剪的最大剪压比限值，如果超此限值，连梁的破坏将是脆性的剪切破坏。因此，当发生连梁截面抗剪承载力不够时，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。同样，调整的幅度也不宜超过20%，否则应考虑采取其他措施来降低连梁的内力。

联肢墙是一个多次超静定结构，个别构件或节点的破坏还不会影响整个结构的安全。但在处理时也应注意：不区别情况，按最大配筋率，最大配箍率把连梁配足，然后将不足的内力向墙肢转移，是不妥的。如前所述，内力转移是以结构的相应部位产生塑性铰为前提的。对连梁来说，要产生塑性铰，就必须满足“强剪弱弯”的条件。如果盲目的按最大配筋率把连梁的上下纵向钢筋配足，可能会导致剪切破坏的产生，此时，连梁将较早就丧失其承载力。如果连梁还有相当的竖向荷载作用，就会导致结构的部分坍塌，这是不能允许的。


三、 设计建议

综上，高层剪力墙连梁设计的建议如下：

1． 在内力和位移计算时，要区别竖向荷载作用下和水平荷载作用下两种不同情况。在竖向荷载作用下，连梁刚度不宜折减，连梁支座弯矩的降低可通过支座弯矩调幅来解决。在水平荷载作用下，连梁刚度可以折减，当风荷载作用时，折减系数不宜小于0.8.

2． 对于由风荷载控制的高层建筑，如果对连梁采取了刚度折减后，仍发生连梁的正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够时，不宜再调整连梁的内力，而应当采取增加剪力墙的厚度，即增加连梁截面的宽度，以提高连梁的截面承载力；增加剪力墙数量，以减少每片墙承担的水平力；加大洞口，以增加连梁的跨度；减小连梁的截面高度或在连梁中部开水平缝，以降低连梁的刚度等方法，使连梁内力符合截面设计的要求。

3． 对于地震作用控制的高层，如果对连梁采取了刚度折减后，仍发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够时，则可区别不同情况，采取相应的措施：

如果结构的刚度较大，位移比规定的限值小得较多，而超筋或超限的连梁数量又较多时，则可采取加大连梁洞口，减小连梁截面高度等方法，使连梁的内力减小。

如果只是部分连梁超筋或超限，则可采取调整连梁内力的方法来解决。调整的幅度不宜超过20%，且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。不管是什么抗震等级，都应按连梁实配的纵向钢筋，并考虑材料的超强因素后，反算出连梁的剪力，在没有发生剪压比超限的情况下配置足够的箍筋。超筋或超限的连梁所不足的内力应在符合平衡条件下，按内力重分布的方法调整各层墙体和连梁的内力。

如果结构的刚度较小，则不应再对连梁的内力进行调整，而应采取增加剪力墙的厚度或数量的方法，以减小连梁的内力，使之符合要求。

4．地震区高层建筑剪力墙的连梁，在进行了上述调整后，仍有不符合承载力要求时，可取连梁截面的最大剪压比限值确定剪力，然后按“强剪弱弯”的要求，配置相应的纵向钢筋。此时，如果不能保证连梁在大震时的延性要求，应将这些连梁按铰接于剪力墙上考虑，重新计算整个结构。必要时，应做弹塑性的时程分析。如果所讨论的连梁还承受较大的竖向荷载，则为了比避免由于连梁端部的破坏造成结构的局部坍塌，应调整结构布置，使连梁的承载力符合要求。