1、高层建筑剪力墙连梁设计及其构造的探讨摘要：本文分析了剪力墙连梁的破坏形态及其影响因素，阐述了剪力墙连梁的概念设计原则，讨论连梁的具体设计方法和延性连梁的具体构造。 关键词：连梁；剪切破坏；弯曲破坏；延性；强剪弱弯 中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号： 前言 随着我国经济的不断发展，高层建筑越来越多地出现在我国的各个地区和城市，作为高层建筑的主要结构形式，剪力墙结构越来越多地被应用。在剪力墙结构中，连接墙肢与墙肢的梁称为连梁（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） 。连梁一般具有跨度小，截面大，与之相连的墙体刚度又特别大等特点。在风荷载和地震荷载的作用下,
2、连梁两端承受反向弯曲作用，而其截面厚度较小，对剪切变形十分敏感、且容易出现斜裂缝和容易剪切破坏。连梁对于连肢剪力墙的刚度、承载力、延性等都有十分重要的影响，它又是实现剪力墙二道设防设计的重要构件，所以连梁的设计成为剪力墙设计中的重要环节，本文从连梁的受力性能和特点，来谈谈连梁概念设计原则及方法，并结合规范的相关条文说明来谈谈提高连梁延性的具体构造。 1.连梁受力机理和破坏形式 连梁除了要承受竖向荷载外，最关键的还要抵抗水平荷载。在风荷载和水平地震荷载作用下，剪力墙随着主体结构产生水平变形,为协调剪力墙之间的变形，从而使连梁产生内力。连梁内力又反过来减少了墙肢的内力和变形，对墙肢起到了一定的约束
3、作用 ,改善墙肢的受力状态。 在地震作用下，连梁可能因承载力超限而破坏。高层建筑剪力墙中的连梁在水平荷载作用下的破坏可分两种 ,即脆性破坏 (剪切破坏 )和延性破坏 (弯曲破坏 )。当连梁发生脆性破坏时，就丧失了承载力 ,在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时 ,各墙肢丧失了连梁对它的约束作用 ,将成为单片的独立梁。这会使结构的侧向刚度大大降低 ,变形加大 ,墙肢弯矩加大 ,并且进一步增加 效应 (竖向荷载由于水平位移而产生的附加弯矩 ),并最终可能导致结构的倒塌；连梁在发生延性破坏时 ,梁端会出现垂直裂缝 ,受拉区会出现微裂缝 ,在地震作用下会出现交叉裂缝 ,并形成塑性绞 ,结构刚度降低 ,变形
4、加大 ,从而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 ,使剪力墙保持足够的刚度和强度。在这一过程中 ,连梁起到了一种耗能的作用 ,对减少墙肢内力 ,延缓墙肢屈服有着重要的作用。但在地震反复作用下 ,连梁的裂缝会不断发展、加宽 ,直到混凝土受压破坏。所以我们应控制连梁发生延性破坏而尽量避免脆性破坏。 2.连梁破坏形态的影响因素 如何控制连梁的破坏形态，经分析发现连梁的剪跨比在其中起着关键性作用。因为剪跨比较大的构件容易发生弯曲破坏，对于连梁而言，两端承受反向弯曲作用，反弯点一般会出现在跨中，而连梁的跨高比又间接地反映了剪跨比的影响，当跨高比大于 2.
5、5 时，连梁以受弯为主，两端一般会出现塑性铰，最后发生弯曲破坏。但连梁一般跨高比都比较小，除了梁端会出现竖向的弯曲裂缝外，连梁的中部同时会出现斜向裂缝，当抗剪能力不足或截面剪应力过大时，连梁就会发生剪切破坏或弯曲屈服以后的剪切破坏。为了避免这些破坏，就需要控制连梁的剪压比。3.剪力墙连梁设计的原则和建议 在墙肢和连梁的协同工作中，剪力墙必须具有足够的刚度和强度。一般在正常使用状态下竖向荷载、风荷载及小震作用下，结构处于弹性工作状态，所以连梁的设计均按弹性设计，不能产生裂缝和破坏；但是当在中震或大震作用下，结构允许进入弹塑性状态，连梁作为一耗能构件，连梁允许出现塑性铰，允许其破坏，用来保护其联系
6、的墙肢，降低水平地震力对剪力墙作用。 。 在地震作用下，延性结构产生的塑性变形能耗散地震能量，其变形加大而惯性力不会快速上升。所以为了实现结构的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则，必须将结构设计成延性结构，合理控制塑性铰出现的位置。 连梁作为剪力墙抗震中的第二道防线和主要耗能构件，对剪力墙的刚度、承载能力和延性都起着很大的影响。从结构屈服机制来看，最理想的状态时连梁先于墙肢屈服，连梁端部出现塑性铰后墙肢底部在出现塑性铰。因此 ,剪力墙的设计应首先按照“强墙弱梁”原则,要求连梁先于剪力墙屈服，其次按照“强剪弱弯”原则来设计剪力墙和连梁，使得墙肢和连梁具有良好的延性，而避免出现剪切破坏
7、。 在实际工程中要使连梁设计满足强剪弱弯的原则就必须考虑以下几个方面 : 3.1 关于连梁刚度的折减。连梁由于跨高比小 ,与之相连的墙肢刚度大等原因 ,在水平力作用下的内力往往很大 ,连梁屈服时表现为梁端出现裂缝 ,刚度减弱 ,内力重分布。因此在开始进行结构整体计算时 ,就需对连梁刚度进行折减。根据钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程第 4 1 7 条规定 :“在内力与位移计算中 ,所有构件均可采用弹性刚度 ,在框架剪力墙结构中 ,连梁的刚度可予以折减 ,折减系数不应小于 0 55。 ”一般在实际设计中我们在 0 55 1 之间取值 ,以符合截面设计的要求. 3.2 加大连梁跨度减少高度。在连
8、梁设计中 ,刚度折减后 ,仍可能发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够的情况 ,这时可以增加洞口的宽度 ,以减少连梁刚度。减少了结构的整体刚度 ,也就减少了地震作用的影响 ,使连梁的承载力有可能不超限。如果只是部分连梁超筋或超限 ,则可采取调整连梁内力来解决。调整的幅度不宜大于 2 0 %,且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。 3.3 增加剪力墙厚度。亦即增加连梁的截面宽度 ,其结果一方面由于结构整体刚度加大 ,地震作用产生的内力增加 ,另一方面连梁的受剪承载力与宽度的增加成正比。由于该片墙厚增加以后 ,地震所产生的内力并不按墙厚增加的比例分配给该片剪力墙 ,而是小于这个比例 ,因此有可
9、能使连梁的受剪承载力不超限。 3.4 提高混凝土等级。混凝土等级提高后 ,结构的地震作用影响增加的比例远小于混凝土受剪承载力提高的比例 ,有可能使连梁的受剪承载力不超限。 3.5 地震区高层建筑的剪力墙连梁 ,在进行了上述调整后 ,仍有部分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 ,应重新计算整个结构 ,必要时调整结构布置 ,使连梁的承载力符合要求。 上述各种措施中 ,在能满足整体刚度的情况下 ,可先采用刚度折减 ,如仍超限可采用其余各种措施。 4.连梁的配筋与构造 连梁在进行配筋设计
10、后，需要合理的构造才能保证连梁的性能。 首先，抗震设计时，沿连梁全长应按框架梁梁端加密区箍筋构造要求采用。其次，墙体水平分布筋应作为连梁的腰筋在连梁范围内拉通连续配置。当连梁高度大于 700mm 时，腰筋直径不应小于 10mm，间距不应大于 200mm；对于跨高比不大于 2.5 的连梁，两侧腰筋的配筋率不应小于0.3%。加强腰筋的目的主要是为了防止连梁不要过早地在两侧面产生裂缝。 抗震设计时，都需要连梁具有一定的延性，根据跨高比和结构形式，一般常用的有以下几种形式： 4.1 普通配箍连梁。采用传统的梁式配筋，即用纵筋抗弯，箍筋抗剪，这种连梁设计、施工方便，应用普遍，但是抗震性能较差，只有严格控
11、制剪压比的情况下才会有较好的延性。 4.2 交叉配筋连梁。在连梁中交叉配置钢筋，以提高连梁的延性，工作原理是，用这些交叉配置的钢筋来抵抗地震作用时不断改变方向的剪力，斜筋方向与主拉应力方向相近，可以有效限制裂缝的产生，避免剪切破坏，提高连梁延性，一般适用于跨高比不大于 2 的连梁。 4.3 交叉暗撑配筋连梁。将交叉配置的钢筋换成有箍筋约束的小柱式暗撑，能大大提高连梁的抗剪能力，防止剪切破坏，此时连梁的剪力全部由暗撑承担，连梁的箍筋起抗裂作用。这种形式一般适用于跨高比不大于 2，厚度不小于 300 的筒体结构的内筒连梁。 4.4 开缝连梁。为了提高连梁的跨高比，可以在连梁中预留水平缝，形成开缝连梁或双层连梁。这种连梁应提高跨高比，从而减小了剪切变形的影响，可以有效防止剪切破坏，增加延性。 5.结语 连梁的设计需要遵循“强剪弱弯” 、 “强墙弱梁”的原则，并控制好连梁的剪跨比，增强连梁的延性，从而提高剪力墙的抗震性能。 参考文献： 1建筑抗震设计规范（GB50011-20010(2010 版) 北京：中国建筑工业出版社。 2高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2010） 北京：中国建筑工业出版社。 3丰定国 王杜良抗震结构设计 武汉理工大学出版社
