高层建筑剪力墙结构连梁设计中的问题

苏伟

摘 要：文章首先简述了连梁在剪力墙结构中的作用，然后分析了受力特点和破坏分析，最后重点探讨了连梁设计时注意的问题。

关键词：高层建筑；剪力墙结构；连梁设计

1 前言

随着国内城市化进程的加快，民众生活水平的提高及土地用量的紧缺，高层、超高层得到愈来愈广泛的应用，由于剪力墙具有较好的抗震性能也得到广泛的应用。剪力墙洞口连梁既起着调节和保证剪力墙侧向刚度的作用，又是抗震剪力墙的第一道防线，起着消耗地震能量的作用。连梁一般跨高比小，与其相连的剪力墙刚度又很大，因此，高層建筑在水平力作用下，连梁的内力往往较大，截面设计常出现超限。在设计中，总要采取适当的措施来调整连梁内力，从而使结构既有承受竖向荷载能力，又能满足水平力作用下强度、刚度要求。因而在剪力墙设计过程中，连梁的设计又是其中的重点和难点。

2 连梁的受力特点和破坏分析

在风荷载和水平地震的作用下，墙肢产生弯曲变形，使梁端产生转角，从而使连梁产生内力。同时，梁端的剪力、轴力、弯矩又反过来减少了墙肢的内力和变形，对墙肢起到一定的约束作用，改善了墙肢的受力状态。高层建筑剪力墙中的连梁在水平力作用下的破坏有两种，即脆性破坏和延性破坏。脆性破坏的情况是指连梁发生剪切破坏。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。在沿墙全高所有的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，墙肢弯曲加大。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。

3 连梁设计时注意的问题

3.1 连梁刚度的折减及内力调幅

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）（简称《高规》）第5.2.1条规定：“高层建筑结构地震作用效应计算时，可对剪力墙连梁刚度予以折减，折减系数不宜小于0.5。”框架-剪力墙或剪力墙结构中的连梁刚度相对墙体较小，而承受的弯矩和剪力很大，配筋设计困难，抗震设计的连梁是结构的主要耗能构件，使连梁适当提前其他结构构件进入弹塑性状态，有利于提高结构的延性，对其他主要承受竖向荷载的结构构件能起到一定的保护作用。因此，可考虑在不影响承受竖向荷载能力的前提下，允许其适当开裂（降低刚度）而把内力转移到墙体上。通常，设防烈度低时可少折减一些（6、7度时可取0.7），设防烈度高时可多折减一些（8、9度时可取0.5）。折减系数不宜小于0.5，以保证连梁承受竖向荷载的能力。对框架-剪力墙结构中一端与柱连接、一端与墙连接的梁以及剪力墙结构中的某些连梁，如果跨高比比较大（比如大于5），重力作用效应比水平风或水平地震作用效应更为明显，此时应慎重考虑刚度的折减问题，必要时可不进行梁刚度折减，以控制正常使用阶段梁裂缝的发生和发展。

《高规》第7.2.26条第二款规定：“抗震设计剪力墙连梁的弯矩可塑性调幅；内力计算时已经按本规程第5.2.1条的规定降低了刚度的连梁，其弯矩值不宜再调幅，或限制再调幅范围。此时，应取弯矩调幅后相应的剪力设计值校核其是否满足本规程第7.2.22条的规定；剪力墙中其他连梁和墙肢的弯矩设计值宜视调幅连梁数量的多少而相应适当增大。”连梁的弯矩设计值包括竖向荷载和水平荷载两部分所产生的内力。竖向荷载产生的弯矩已通过弯矩调幅进行调整，而且竖向荷载的弯矩不能通过其他构件的弯矩来进行调整。因此，这里所说的弯矩调整是指水平荷载产生的弯矩。连梁塑性调幅可采用两种方法，一是按照《高规》第5.2.1条的方法，在内力计算前就将连梁刚度进行折减；二是在内力计算之后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数。两种方法的效果都是减小连梁内力和配筋。无论用什么方法，连梁调幅后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况下的值，也不宜低于比设防烈度低一度的地震作用组合所得的弯矩、剪力设计值，其目的是避免在正常使用条件下或较小的地震作用下在连梁上出现裂缝。因此建议一般情况下，可掌握调幅后的弯矩不小于调幅前按刚度不折减计算的弯矩（完全弹性）的80%（6～7度）和50%（8～9度），并不小于风荷载作用下的连梁弯矩。

3.2 连梁超筋超限的处理方法

a、减小连梁的计算截面

改变连梁的截面后，连梁不再超筋时，无需进行下阶段处理。

b、对连梁进行调幅处理

抗震设计剪力墙中连梁的弯矩和剪力可进行塑性调幅，以降低其剪力设计值。但在结构计算中已对连梁进行了刚度折减的连梁，其调幅范围应限制或不再调幅。当部分连梁降低弯矩设计值后，其余部位的连梁和墙肢的弯矩应相应加大。

一般情况下，经全部调幅（包括计算中连梁刚度折减和对计算结果的后期调幅）后的弯矩设计值不小于调幅前（完全弹性）的0.8倍（6、7度）和0.5倍（8、9度）。

对连梁进行调幅处理后，连梁不再超筋时，无需进行下阶段处理。

c、按《混凝土规范》第11.7.8条的规定对连梁配置对角斜筋后取连梁的剪力增大系数ηvb=1.0进行复核验算。

d、连梁的铰接处理

当连梁的破坏对承受竖向荷载无明显影响（即连梁不作为次梁的支承梁）时，可假定该连梁在大震下的破坏，对剪力墙按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下的结构内力分析（为减小结构计算工作量可将连梁按两端铰接梁计算），墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋设计（一般情况下，连梁铰接处理后，墙的计算结果较大），以保证墙肢的安全。

3.3 设计时没有考虑的因素造成的不合理设计

a、现浇钢筋混凝土楼板作为连梁的翼缘，对楼板刚度具有一定的增大作用，并且增大的程度随连梁截面形式的不同有较大的差别。但在结构计算时，连梁无论采用壳元模型还是杆元模型，均未能有效计及楼板的翼缘作用。连梁刚度的增大无疑会使结构整体地震作用加剧，连梁也会吸收更多的地震作用；另外，连梁刚度的增大也会对保证“强墙肢弱连梁”的设计造成一定的不利影响。由于连梁刚度大，地震时受到的地震作用较大，所以在高层剪力墙结构中，连梁截面的超筋、超限现象难以避免。因此，大幅降低连梁刚度，是解决其超筋、超限问题的一条有效途径。

在连梁高度中部留设水平通缝形成带缝连梁，减小连梁截面高度，均可大幅度降低连梁刚度。对于带水平缝连梁，为使上下截面具有相同的变形能力，其截面尺寸宜相同，且高度不宜小于300mm。带水平缝连梁可以有效增大连梁跨高比，同时连梁的承载力不但没有降低，而且其变形能力和耗能能力均有大幅度提高，是一种比较理想的水平耗能构件。

b、连梁两侧翼缘板内平行于连梁的钢筋对连梁抗弯承载力有明显的增大作用。这将使连梁变成名副其实的“强弯弱剪”构件，连梁发生脆性剪切破坏的几率大大增加，对建筑物的抗震十分不利。板内钢筋对连梁抗弯承载力的增大作用是单向的，如：对门洞连梁而言，截面下部受压时，才有增大作用，而截面上部受压时，则没有增大作用。因此，设计上习惯采用的连梁截面上下对称配筋在这种情况下是有问题的，合理的设计方法是，根据翼缘板内配筋情况，适当减小连梁上部纵筋，使连梁截面两向抗弯承载力相等或接近，并满足“强剪弱弯”设计。

4 结束语

剪力墙结构中，连梁设计是复杂的，常受到很多因素的制约，在设计时，应综合考虑各种因素，保证连梁的设计和构造遵循“强墙弱梁”、“强剪弱弯”的原则，这样才能使设计出来的建筑具有良好的安全性、经济性。

参考文献

[1]JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》.

[2]朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析 北京：中国建筑工业出版社，2013.

[3]常林润.高层建筑剪力墙结构连梁抗震设计中几个问题的探讨[D].工业建筑2007.