结构设计中剪力墙连梁的概念设计和分析

结构设计中剪力墙连梁的概念设计和分析
摘要:剪力墙以其较好的抗震性能在高层建筑的结构设计中得以广泛运用。

本文首先分析了连梁的受力特点和破坏形式,进而讨论了连梁截面设计及配筋的详细计算方法,最
后提出了连梁设计的几个措施和构造要求。

关键词:结构设计；连梁；剪力墙结构；设计；抗剪承载力
0 前言
由于剪力墙具有较好的抗震性能,近年来在高层、超高层中得到愈来愈广泛的应用。

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。

具有合适强度、刚度和良好变形性能的连梁的剪力墙,在遭受强烈地震时,多数连梁在墙肢屈服之前先屈服,发挥其塑性变形能力,耗散地震能量,有效减轻主体结构构件的损坏。

1 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。

由于连梁在抗震设计中的重要作用,对连梁的设计提出的特殊要求是:在小震和风荷载作用的正常使用状态下,它起着联系墙肢且加大剪力墙刚度的作用,承受弯矩和剪力,不能有裂缝;在中震下应当首先出现弯曲屈服,耗散地震能量;在大震作用下,可能也允许剪切破坏。

连梁设计作为剪力墙设计中的重要环节,应当了解连梁的性能和特点,从概念设计的需要和可能,对连梁进行设计。

2 连梁截面设计及配筋计算
1) 连梁是对剪力墙结构抗震性能影响较大的构件,提高连梁延性的主要措施是控制连梁的剪压比,其次是多配一些箍筋。

剪压比是主要因素,箍筋的主要作用是限制裂缝开展,推迟混凝土的破碎,推迟连梁破坏。

如果平均剪应力过大,在箍筋充分发挥作用之前,连梁就会发生剪切破坏。

根据清华大学及国内外试验研究得到:连梁截面内平均剪应力对连梁破坏性能影响较大,尤其是在小高跨比条件下,因此规程对截面尺寸提出要求,限制截面平均剪应力,对小高跨比连梁限制更严格。

a. 非抗震设计。

V b ≤0. 25βc f c b b h bo (1)
b. 抗震设计。

连梁跨高比大于2. 5 时:
V b ≤RE γ1
(0. 20β c f c b b h bo ) (2)
连梁跨高比小于2. 5 时:
V b ≤ RE γ1
(0. 15β c f c b b h bo ) (3)
其中, V b 为连梁剪力设计值; b b 为连梁截面宽度; h bo 为连梁截面有效高度; βc 为混凝土强度影响系数; f c 为混凝土轴心抗压强度设计值;RE γ为构件承载力抗震调整系数。

2) 连梁截面验算应包括正截面受弯及斜截面受剪承载力两部分。

受弯承载力与梁相同,规程没有另列条文,由于一般连梁都是对称配筋,可按双筋截面验算,受压区很小,通常用受拉钢筋对受压钢筋取矩,就可得到受弯承载力。

斜截面受剪承载力是连梁截面验算中的重要部分,其中要特别注意剪力设计值应经过调整增大,以保证连梁的强剪弱弯,计算如下: a. 非抗震设计。

V b ≤0. 7 f t b b h bo + f yv S
Asv h bo (4) b. 抗震设计。

连梁跨高比大于2. 5 时:
V b ≤RE γ1
(0. 42 f t b b h bo + f yv S
Asv h bo) (5) 连梁跨高比小于2. 5 时:
V b ≤RE γ1
(0. 38 f t b b h bo +0.9 f yv S
Asv h bo) (6) 其中, f t 为混凝土轴心抗拉强度设计值; A sv 为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积; f yv 为箍筋抗拉强度设计值; S 为沿构件长度方向的箍筋间距。

在连梁的配筋中,设计者大多采用调整其纵筋和箍筋比率或增大配筋量的方法来满足设计要求,然而研究表明,这样做并不能改变其剪切脆性破坏的属性,且用钢量明显增加。

因此建议采用菱形配筋方式。

3 连梁的设计要求
1) 连梁的刚度折减不宜小于0. 5 。

2) 连梁的跨高比L N / h b应小于5 ,当L N/ h b≥5 时按框架梁进行设计。

3) 连梁的剪力设计值按《高规》7. 2. 22 执行。

4) 连梁截面剪压比应满足《高规》7. 2. 23 的要求。

当跨高比L N / h b> 2. 5 时, 剪力比V b/ f c b b h bo≤0. 235 (调整后的剪力值) 。

当跨高比L N /h b≤2. 5 时,剪力比V b/ f c b b h bo≤0. 176 (调整后的剪力值) 。

当跨高比L N / h b≤2 时,采用斜向交配筋以改善连梁延性。

5) 连梁配筋应符合《高规》7. 2. 26的规定。

6) 剪力墙水平筋作为连梁腰筋贯通配置。

当h b > 700时,腰筋要满足《高规》7. 2. 26 的要求。

7) 连梁上尽量不要设计次梁支座,当必须有时,应加强该连梁配筋。

8) 连梁截面不符合规范要求时,可不考虑连梁进行二次计算,墙肢应按大值进行设计。

4 连梁设计措施
从概念上提出连梁设计的几个措施：
1) 抗风结构(非抗震结构) 可以用加大连梁尺寸的方法提高连梁刚度,从而增大联肢剪力墙的刚度,以满足结构抗侧刚度的要求,计算时,连梁刚度不宜折减,内力也不宜调幅。

而抗震结构不宜用加大连梁尺寸的方法提高剪力墙刚度,相反,开洞剪力墙中的连梁宜较小,如结构刚度不足,可采用其他方法增加结构总刚度。

2) 抗震结构要考虑弹塑性性能以抵抗中震和大震,因此不宜采用刚度很大的连梁,不宜设计类似整体悬臂(整体小开口剪力墙) 的联肢剪力墙,联肢剪力墙的整体系数宜小于10 ,也不宜设计配筋很多的连梁,应通过连梁弯矩调幅设计强墙弱梁的延性剪力墙。

3) 当剪力墙长度很大时,可以开一个大洞口,减小梁高,形成相对刚度较小的连梁,即采用“弱连梁”将剪力墙分割成长度较小的墙(每一段墙可以是联肢剪力墙,也可以是独立墙肢等) ,“弱连梁”对墙肢约束弯矩很小,整体系数不大于1 的连梁属于弱连梁,计算时弱连梁的刚度也不宜折减。

4) 抗震剪力墙可通过连梁内力调幅降低连梁弯矩,但调整后的连梁弯矩不能低于风荷载下的连梁弯矩,也不能低于小震下的连梁弯矩。

5) 跨高比小于2. 5 的连梁多数出现剪切破坏,为避免脆性剪切破坏,采取的主要措施是控制剪压比和适当增加箍筋数量。

6) 为了限制连梁截面剪压比,应当控制连梁的受弯钢筋数量,受弯钢筋不超过最大配筋率,也不小于最小配筋率。

7) 当连梁破坏对承受竖向荷载没有很大影响时,在大震作用下,允许连梁剪切破坏,按照多道设防的概念设计联肢剪力墙。

8) 核心筒的连梁或框筒结构中的深梁可以采用交叉斜撑配筋,以改善连梁的延性性能。

5 连梁的构造要求
剪力墙结构的连梁,一般情况下跨高比较小,剪切变形较大,故连梁的纵向受力钢筋、箍筋和腰筋的设置应妥善处理。

1) 连梁的顶面、底面纵向受力钢筋伸入墙肢内的锚固长度I a ,抗震设计时不小于I a E,非抗震设计时不应小于I a ,且不应小于600 mm。

2) 抗震设计时,沿连梁全长箍筋的构造应按框架梁梁端加密区箍筋的构造要求采用;非抗震设计时,沿连梁全长的箍筋直径不应小于6 mm ,间距不应大于150 mm。

3) 顶层连梁的纵向钢筋伸入墙肢内的长度范围内,应配置间距不大于150 mm 的构造箍筋,箍筋直径应与该连梁的箍筋直径相同。

4) 墙肢的水平分布钢筋,应作为连梁的腰筋,在连梁高度范围内拉通连续配置;当连梁截面高度大于700 mm 时,其两侧面沿梁高度范围设置的纵向构造钢筋(腰筋) 的直径不应小于10 mm , 间距不应大于200 mm;对跨高比不大于2. 5 的连梁,其两侧的纵向构造钢筋(腰筋) 的面积配筋率不应小于13 %。

5) 按1 ,2 级抗震等级设计的剪力墙结构,当连梁跨高比不大于2. 5 且连梁的截面宽度不小于200 mm 时,除设置纵向钢筋和箍筋外,宜设置斜向交叉构造钢筋,以提高连梁的延性,并减缓非弹性变形阶段的刚度退化。

斜向交叉钢筋的直径不小于14 mm ,与连梁箍筋绑扎固定。

6 结束语
高层建筑剪力墙结构中的连梁设计,常受到很多因素的制约,连梁的内力与结构抗侧力刚度、相连墙肢的刚度、连梁跨高比等因素有关。

抗震结构还应考虑非弹性变形阶段,连梁是首先屈服的构件,应调整内力,避免剪力墙在弯曲屈服前出现剪切破坏,控制好结构最终形成延性破坏的措施。

上述均需要结构设计人员在不断的分析、协调、总结的基础上,才能取得比较满意的结果。

参考文献:
[1] J GJ 322002 ,高层建筑混凝土结构技术规程[ S] .
[2] GB 5001122001 ,建筑抗震设计规范[ S] .
[3] 中国有色工程设计研究总院. 混凝土结构构造手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.
[4] 中国建筑标准设计研究所. 全国民用建筑工程设计技术措施——结构[M] . 北京:中国计划出版社,2003.
[5] 高立人. 高层建筑结构概念设计[M] . 北京:中国计划出版社,2005.
[6] 彭伟. 高层建筑结构设计原理[M]. 成都:西南交通大学出版社,2004.
[7] 方鄂华. 高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M] . 北京:机械工业出版社,2005.
[8] 王志全. 高层建筑剪力墙中的连梁设计[J ]. 山西建筑,2007 ,33 (31) :79280.。