結(jié)合工程實(shí)例探討剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁設(shè)計(jì)

【關(guān)鍵詞】剪力墻結(jié)構(gòu)；連梁計(jì)算；連梁截面及配筋設(shè)計(jì) 

　　1. 工程概況 

　　太原市親賢新村小區(qū)一期工程位于晉中市紅馬營村，官道街西側(cè)，一期工程由親松苑，集賢苑兩部分組成。包括12棟11層住宅樓和33棟三層商鋪，別墅等組成。總建筑面積為11萬平米�，F(xiàn)取其中一棟住宅樓QS-6為例，本建筑為地下一層，地上十一層，總高度為35m�？拐鹪O(shè)防烈度為8度，建筑物抗震等級(jí)為二級(jí)。因?yàn)楸竟こ虨樽≌�，選用框架結(jié)構(gòu)，過大的柱子和梁會(huì)影響住戶的使用空間，而且8度區(qū)的框架結(jié)構(gòu)的位移限值也不容易滿足（高規(guī)中表4.6.3）1/550的要求，所以選用有短肢剪力墻與筒體（或一般剪力墻）共同抵抗水平力的剪力墻結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)體系在地震作用下，變形小，破壞程度低，大震時(shí)通過連梁和墻肢底部的塑性鉸范圍內(nèi)的塑性變形，耗散大部的地震能量。 

　　2. 連梁的工作和破壞機(jī)理 

　　2.1 在剪力墻結(jié)構(gòu)中，連接墻肢和墻肢，且跨高比<5的梁稱為連梁。連梁一般具有跨度小，截面大，與連梁相連的墻體剛度又很大等特點(diǎn)。在風(fēng)荷載和地震荷載作用下，墻肢產(chǎn)生彎曲變形，使連梁產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，從而使連梁產(chǎn)生內(nèi)力。同時(shí)連梁端部的彎矩、剪力和軸力又反過來減少了墻肢的內(nèi)力和變形，對(duì)墻肢起到了一定的約束作用，改善了墻肢的受力狀態(tài)。高層建筑剪力墻中的連梁在水平荷載作用下的破壞可分兩種，即脆性破壞（剪切破壞）和延性破壞（彎曲破壞）。連梁在發(fā)生脆性破壞時(shí)就喪失了承載力，在沿墻全高所有連梁均發(fā)生剪切破壞時(shí)，各墻肢喪失了連梁對(duì)它的約束作用，將成為單片的獨(dú)立梁。這會(huì)使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大降低，變形加大，墻肢彎矩加大，并且進(jìn)一步增加P-Δ效應(yīng)（豎向荷載由于水平位移而產(chǎn)生的附加彎矩），并最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌。連梁在發(fā)生延性破壞時(shí)，梁端會(huì)出現(xiàn)垂直裂縫，受拉區(qū)會(huì)出現(xiàn)微裂縫，在地震作用下會(huì)出現(xiàn)交叉裂縫，并形成塑性絞，結(jié)構(gòu)剛度降低，變形加大，從而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(duì)墻肢起到一定的約束作用，使剪力墻保持足夠的剛度和強(qiáng)度。在這一過程中，連梁起到了一種耗能的作用，對(duì)減少墻肢內(nèi)力，延緩墻肢屈服有著重要的作用。但在地震反復(fù)作用下，連梁的裂縫會(huì)不斷發(fā)展、加寬，直到混凝土受壓破壞。 

　　2.2 連梁超筋是一種常見現(xiàn)象：連梁超筋，實(shí)質(zhì)是剪力不滿足《高規(guī)》7.2.23條公式（7.2.23-1）至（7.2.23-3）剪壓比要求。連梁易超筋的部位為：豎向樓層在一般剪力墻結(jié)構(gòu)中，總高度的1/3左右的樓層；平面中，當(dāng)墻段較長時(shí)其中部的連梁，某墻段中墻肢截面高度（即平面中的長度）大小懸殊不均勻時(shí)，在大墻肢連梁易超筋。 

　　3. 設(shè)計(jì)和建議 

　�。�1）在剪力墻結(jié)構(gòu)中，抗震墻由墻肢和連梁兩部分組成，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循強(qiáng)墻弱梁，強(qiáng)剪弱彎的原則，即連梁的屈服先于墻肢，連梁和墻肢均應(yīng)為彎曲屈服。通過以上分析連梁的受力特點(diǎn)和連梁出現(xiàn)超筋的部位，結(jié)合建筑圖，根據(jù)《高規(guī)》布置剪力墻。底部加強(qiáng)部位高度取36m/8或底部兩層6m二者的較大值，故應(yīng)取6m。并應(yīng)額外加上地下室的高度。剪力墻厚度根據(jù)《高規(guī)》7.2.2條，底部加強(qiáng)部位的厚度確定為250mm，其它部位為200mm.然后在建筑外墻周圈和樓梯或電梯井筒部位先布置剪力墻，墻體開設(shè)窗洞和門洞，將其分成長度較為均勻的若干墻段，墻段用弱連梁連接。 

　�。�2）洞口宜上下對(duì)齊，成列布置，形成明確的墻肢和連梁。在剪力墻外墻上除去窗洞尺寸，窗頂至上一樓層標(biāo)高減去面層作為連梁的高度，樓層到窗底用砌塊填充，在連梁上輸入砌塊荷載。內(nèi)部剪力墻根據(jù)房間墻體布局，對(duì)一般的矩形、L形、T形等平面宜沿兩個(gè)軸線方向布置。剪力墻平面布置時(shí)應(yīng)盡量使墻段中各墻肢截面高度相等或相差不大。在PKPM中建模，通過SATWE高層程序進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算得出結(jié)論。在文本信息中的數(shù)據(jù)顯示位移和周期都滿足規(guī)范要求。而在第四項(xiàng)分析結(jié)果圖形和文本顯示中還有部分連梁有超筋超限的現(xiàn)象。剪力墻連梁標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖如圖1。 

　　4. 連梁超筋的處理方法 

　　對(duì)以上超筋的連梁，采取以下幾種處理方法進(jìn)行調(diào)整。 

　　4.1 連梁剛度的折減。 

　　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(duì)連梁剛度進(jìn)行折減。折減系數(shù)不應(yīng)小于0.55。一般在實(shí)際設(shè)計(jì)中在0.55～1之間取值。在程序中已取到最小值，所以不再調(diào)幅。

　　4.2 當(dāng)連梁的破壞對(duì)承受豎向荷載無明顯影響（即連梁不做為次梁的支承梁）時(shí)，可假定該連梁在大震下不參與工作，對(duì)剪力墻按獨(dú)立墻肢進(jìn)行第二次多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析（為減小結(jié)構(gòu)計(jì)算工作量可將連梁按兩端鉸接梁計(jì)算）墻肢應(yīng)按兩次計(jì)算所得的較大內(nèi)力進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)（一般情況下，連梁鉸接處理后，墻的計(jì)算結(jié)果較大），以保證墻肢的安全。 

　　4.3 加連梁跨度減少高度。 

　　連梁剛度折減后，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或減少連梁高度，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。以D軸與1～2軸間的連梁L1為例：L1為門頂梁，門洞寬度已定，只有減小高度，L1截面由原來的250X800減為250X400，門頂做成普通過梁。輸入重新計(jì)算，連梁不再超筋，結(jié)構(gòu)的層間位移也能滿足規(guī)范要求。 

　　4.4 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)生的內(nèi)力增加，另一方面連梁的受剪承載力與寬度的增加成正比。由于該片墻厚增加以后，地震所產(chǎn)生的內(nèi)力并不按墻厚增加的比例分配給該片剪力墻，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。 

　　4.5 提高混凝土等級(jí)。 

　　混凝土等級(jí)提高后，結(jié)構(gòu)的地震作用影響增加的比例遠(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。 

　　5. 連梁的截面及配筋設(shè)計(jì) 

　　針對(duì)以上各種措施，對(duì)連梁的截面及配筋作如下設(shè)計(jì)： 

　�。�1）對(duì)4.1的情況：連梁按調(diào)幅處理后，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求；連梁按計(jì)算結(jié)果配筋。 

　�。�2）對(duì)4.2的情況：連梁按鉸接處理后，計(jì)算的結(jié)構(gòu)的層間位移比滿足規(guī)范要求，或相差不大；連梁按計(jì)算結(jié)果配筋。 

　�。�3）對(duì)4.3的情況：連梁減小高度后，其計(jì)算剪力V2已不大于原截面的最大受剪承載力[V1]，即V2≦[V1]，滿足《抗震規(guī)范》第6.2.4條的要求。連梁不再有超筋現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的層間位移也能滿足《高規(guī)》表4.6.3要求要求，連梁按此計(jì)算結(jié)果配筋。 

　�。�4）當(dāng)連梁按上述4.3的情況計(jì)算處理后，連梁減少高度仍有超筋現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的層間位移角已不符合《高規(guī)》表4.6.3要求，且確無其他手段加大結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，這時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中仍需采用原有連梁的構(gòu)件截面尺寸，以滿足結(jié)構(gòu)的層間彈性位移角要求，但連梁按減小高度后的內(nèi)力計(jì)算配筋。舉例如下。 

　�。�5）某連梁截面為250mm×600mm，該連梁所能承擔(dān)的最大剪力（按《高規(guī)》第7.2.23條計(jì)算，也可從電算結(jié)果的超筋信息中直接讀�。�[V1]=400KN，初次計(jì)算剪力為V=500KN>[V1]，需調(diào)整計(jì)算。減小連梁的計(jì)算截面至250mm×450mm，此時(shí)連梁的計(jì)算剪力V2=380KN<[V1]，相應(yīng)計(jì)算彎矩為M2，調(diào)整計(jì)算結(jié)束。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，連梁截面仍取為250mm×600mm，但取內(nèi)力V2、M2計(jì)算配筋。 

　　6. 結(jié)語 

　　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)，以取得比較理想的結(jié)果。 

　　參考文獻(xiàn) 

　　[1] 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》. 

　　[2] 《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用圖解手冊(cè)》朱炳寅. 

　　[3] 《多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中疑難問題的處理及算例》李國勝.