簡介
連梁連梁的工作和破壞機理
在風荷載和地震荷載作用下 ,牆肢產生彎曲變形 ,使連梁產生轉角 ,從而使連梁產生內力。同時連梁端部的彎矩、剪力和軸力又反過來減少了牆肢的內力和變形 ,對牆肢起到了一定的約束作用 ,改善了牆肢的受力狀態。高層建築剪力牆中的連梁在水平荷載作用下的破壞可分兩種 ,即脆性破壞 (剪下破壞 )和延性破壞 (彎曲破壞 )。連梁在發生脆性破壞時就喪失了承載力 ,在沿牆全高所有連梁均發生剪下破壞時 ,各牆肢喪失了連梁對它的約束作用 ,將成為單片的獨立梁。這會使結構的側向剛度大大降低 ,變形加大 ,牆肢彎矩加大 ,並且進一步增加P—Δ效應 (豎向荷載由於水平位移而產生的附加彎矩 ),並最終可能導致結構的倒塌。連梁在發生延性破壞時 ,梁端會出現垂直裂縫 ,受拉區會出現微裂縫 ,在地震作用下會出現交叉裂縫 ,並形成塑性絞 ,結構剛度降低 ,變形加大 ,從而吸收大量的地震能量 ,同時通過塑性鉸仍能繼續傳遞彎矩和剪力 ,對牆肢起到一定的約束作用 ,使剪力牆保持足夠的剛度和強度。在這一過程中 ,連梁起到了一種耗能的作用 ,對減少牆肢內力 ,延緩牆肢屈服有著重要的作用。但在地震反覆作用下 ,連梁的裂縫會不斷發展、加寬 ,直到混凝土受壓破壞。
設計的建議
在牆肢和連梁的協同工作中 ,剪力牆應該具有足夠的剛度和強度。在正常的使用荷載和風荷載作用下 ,結構應該處於彈性工作狀態 ,連梁不應該產生塑性鉸。在地震作用下 ,結構允許進入彈塑性狀態 ,連梁可以產生塑性鉸。根據抗震設計規範總則的要求 ,建築物在遭受低於本地區設防烈度的多遇地震影響時 ,一般不損壞或不需修復仍可使用 ,當遭受高於本地區設防烈度的罕遇地震時 ,不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。因此 ,剪力牆的設計應該保證不發生剪下破壞 ,也就是要求牆肢和連梁的設計符合強剪弱彎的原則 ,同時要求連梁的屈服要早於牆肢的屈服 ,而且要求牆肢和連梁具有良好的延性。
因此在實際工程中要使連梁設計滿足強剪弱彎的原則就必須考慮以下幾個方面 :
關於連梁剛度的折減。連梁由於跨高比小 ,與之相連的牆肢剛度大等原因 ,在水平力作用下的內力往往很大 ,連梁屈服時表現為梁端出現裂縫 ,剛度減弱 ,內力重分布。因此在開始進行結構整體計算時 ,就需對連梁剛度進行折減。根據《鋼筋混凝土高層建築結構設計與施工規程》第 4 1 7條規定 :“在內力與位移計算中 ,所有構件均可採用彈性剛度 ,在框架—剪力牆結構中 ,連梁的剛度可予以折減 ,折減係數不應小於 0 55。”一般在實際設計中我們在 0 55— 1之間取值 ,以符合截面設計的要求.
加連梁跨度減少高度。在連梁設計中 ,剛度折減後 ,仍可能發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 ,這時可以增加洞口的寬度 ,以減少連梁剛度。減少了結構的整體剛度 ,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。如果只是部分連梁超筋或超限 ,則可採取調整連梁內力來解決。調整的幅度不宜大於2 0 %,且連梁必須滿足“強剪弱彎”的要求。
增加剪力牆厚度。亦即增加連梁的截面寬度 ,其結果一方面由於結構整體剛度加大 ,地震作用產生的內力增加 ,另一方面連梁的受剪承載力與寬度的增加成正比。由於該片牆厚增加以後 ,地震所產生的內力並不按牆厚增加的比例分配給該片剪力牆 ,而是小於這個比例 ,因此有可能使連梁的受剪承載力不超限。
提高混凝土等級。混凝土等級提高后 ,結構的地震作用影響增加的比例遠小於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。
地震區高層建築的剪力牆連梁 ,在進行了上述調整後 ,仍有部分不符合承載力要求時 ,可取連梁截面的最大剪壓比限值確定剪力。然後按“強剪弱彎”的要求 ,配置相應的縱向鋼筋。此時 ,如果不能保證連梁在大震時的延性要求 ,應重新計算整個結構 ,必要時調整結構布置 ,使連梁的承載力符合要求。
上述各種措施中 ,在能滿足整體剛度的情況下 ,可先採用剛度折減 ,如仍超限可採用其餘各種措施。
連梁的配筋計算
根據《鋼筋混凝土高層建築結構設計和施工規程》 ,在連梁設計方面 ,對於連梁非抗震設計 ,抗震設計時跨高比大於 2 5及小於 2 5兩種情況 ,在截面受剪承載力及配筋方面均有不同規定。
在結構計算時這類連梁往往發生受剪承載力的超限 ,這時可以將受力筋均勻布置 ,同時考慮到連梁以承載水平荷載為主 ,支座彎矩主要由水平荷載引起 ,在反覆的水平荷載作用下支座截面上、下受拉筋面積相近 ,可以採用截面對稱配筋。在連梁配筋中 ,配置平行筋往往導致斜向受拉破壞或由於箍筋過量而發生剪下滑移破壞 ,這些破壞將導致連梁的滯回曲線變壞 ,耗能能力下降。若採用菱形配筋方式 ,可以克服這些不足之處。
高層建築剪力牆連梁的設計受很多因素的制約。連梁的內力和剪力牆的多少、每片剪力牆的水平力大小、連梁的剛度、與之相連的牆肢剛度等都有關。因此在設計時 ,問題是比較複雜的 ,設計時要把互相制約的因素統一協調 ,以取得比較理想的結果。
注意事項
因此在實際工程中要使連梁設計滿足強剪弱彎的原則就必須考慮以下幾個方面：關於連梁剛度的折減。連梁由於跨高比小，與之相連的牆肢剛度大等原因，在水平力作用下的內力往往很大，連梁屈服時表現為梁端出現裂縫,剛度減弱，內力重分布。因此在開始進行結構整體計算時，就需對連梁剛度進行折減。根據《鋼筋混凝土高層建築結構設計與施工規程》第417條規定：“在內力與位移計算中，所有構件均可採用彈性剛度，在框架—剪力牆結構中，連梁的剛度可予以折減，折減係數不應小於0.50。”一般在實際設計中我們在0.50—1之間取值，以符合截面設計的要求。《高層建築混凝土結構技術規程》JGJ3-2010的5.2.1條文說明指出對於重力荷載、風荷載作用效應計算不宜考慮連梁剛度折減；對有地震作用效應組合工況，均可考慮連梁剛度折減。[1]《建築抗震設計規範》GB50011-2010的6.2.13條文說明2指出計算位移時，連梁剛度可不折減。[2]加連梁跨度減少高度。在連梁設計中，剛度折減後，仍可能發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，這時可以增加洞口的寬度，以減少連梁剛度。減少了結構的整體剛度，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。如果只是部分連梁超筋或超限，則可採取調整連梁內力來解決。調整的幅度不宜大於20%，且連梁必須滿足“強剪弱彎”的要求。
增加剪力牆厚度。亦即增加連梁的截面寬度，其結果一方面由於結構整體剛度加大，地震作用產生的內力增加，另一方面連梁的受剪承載力與寬度的增加成正比。由於該片牆厚增加以後，地震所產生的內力並不按牆厚增加的比例分配給該片剪力牆，而是小於這個比例，因此有可能使連梁的受剪承載力不超限。
提高混凝土等級。混凝土等級提高后，結構的地震作用影響增加的比例遠小於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。
地震區高層建築的剪力牆連梁，在進行了上述調整後，仍有部分不符合承載力要求時，可取連梁截面的最大剪壓比限值確定剪力。然後按“強剪弱彎”的要求，配置相應的縱向鋼筋。此時，如果不能保證連梁在大震時的延性要求，應重新計算整個結構，必要時調整結構布置，使連梁的承載力符合要求。
上述各種措施中，在能滿足整體剛度的情況下，可先採用剛度折減，如仍超限可採用其餘各種措施。
配筋計算
根據《鋼筋混凝土高層建築結構設計和施工規程》，在連梁設計方面，對於連梁非抗震設計，抗震設計時跨高比大於2.5及小於2.5兩種情況，在截面受剪承載力及配筋方面均有不同規定。在結構計算時這類連梁往往發生受剪承載力的超限，這時可以將受力筋均勻布置，同時考慮到連梁以承載水平荷載為主，支座彎矩主要由水平荷載引起，在反覆的水平荷載作用下支座截面上、下受拉筋面積相近，可以採用截面對稱配筋。在連梁配筋中，配置平行筋往往導致斜向受拉破壞或由於箍筋過量而發生剪下滑移破壞，這些破壞將導致連梁的滯回曲線變壞，耗能能力下降。若採用菱形配筋方式,可以克服這些不足之處。
