摘要：连梁作为剪力墙结构抗震设计中的第一道防线和主要耗能构件，其设计的合理与否直接影响到建筑物抗震性能的好坏。通过对高层剪力墙连梁抗震设计中几个问题的探讨，对这些问题进行定量的分析，并对其处理方法进行一定的讨论，提出相应的看法与建议。
关键词：剪力墙结构连梁配筋率承载力
高层剪力墙住宅近20年在我国得到迅速发展，但高层剪力墙结构在我国还没有经受过地震特别是强震的考验。《高层建筑混凝土结构规程》（JGJ3-2002）对这类结构的相关规定借鉴了不少国外的经验。在工程设计中，由于住宅建筑在使用上的一些特殊性，造成结构构件尺寸比例的不合理，如：连梁的跨高比较小等。另外，还有一些设计时没有考虑的因素造成的不合理设计，如：楼板钢筋对连梁抗弯承载力的增强作用。这些都会直接影响到连梁的工作性能。为此，笔者就连梁抗震设计中的几个问题进行一些探讨，不足之处请大家指正。
1连梁抗震设计中的几个问题
1.1算例
为直观地说明问题，对4种不同截面形式的连梁相关信息进行了计算，连梁截面如图1所示。LL1为设计中常采用的截面形式，LL2、LL3为在LL1截面高度中部设置水平通缝形成的所谓带缝连梁，LL4为增加门洞高度形成的连梁。各连梁跨度Ln均为900mm，两侧现浇楼板厚度为100mm，平行于连梁方向的板底配筋假定为8@200。混凝土C30，主筋、箍筋均为HRB400级钢筋，抗震等级二级。一般而言，对大多数门窗洞口连梁，竖向荷载引起的连梁内力仅占很小比例，因此，在本算例中为简化计算，忽略竖向荷载产生的内力，并假定连梁反弯点在跨中。
图1 连梁截面
连梁每侧翼缘板宽度按6倍板厚计，连梁截面抗弯刚度计算中分为考虑翼缘作用和不考虑翼缘作用两种情况。连梁承载力计算时，首先根据连梁的跨高比，按照《高层建筑混凝土结构规程》（JGJ3-2002）中相应公式计算出连梁所能承担的最大剪力设计值，反算出连梁所能承担的最大弯矩设计值，由此计算出连梁配筋值，并根据实配钢筋计算出连梁的实际抗弯承载力。算例中考虑了翼缘板中钢筋对连梁抗弯承载力的影响，同时还对连梁截面的极限转角能力和弯曲耗能能力进行了定量的对比分析。计算结果见表1～表6所示。
1.2计算数据分析
1.2.1楼板对连梁刚度的增大作用
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。从表1中可以看出，LL1～LL4考虑翼缘作用其刚度分别增大103.5%、55.6%、14.6%和110.6%。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。
表1 各连梁刚度
1.2.2降低连梁刚度的有效方法
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。即使按“高规”（JGJ3-2002）规定采用0.5的连梁刚度折减系数，往往也无法从根本上解决连梁的超筋、超限问题。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。从表2可以看出，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。如：LL2、LL3、LL4的刚度分别为LL1的15.74%、20.99%和18.66%。
表2 各连梁与LL1 刚度之比
需要指出的一点是，在住宅建筑中，由于门洞高度的限制，通过增加洞口高度来减小连梁截面的方法一般可操作性不大。降低连梁刚度的另一种方法是在连梁两端留设一定高度的竖向缝，以减小梁端截面高度，竖缝可采用压缩性较大的聚苯板等材料填充。此时连梁的配筋仅在竖缝以上部分配置，竖缝之间的部分可认为是连梁的“吊板”，仅配置构造钢筋即可。如图2所示。
需要强调的是，无论采用减小连梁截面高度，还是在连梁两端留设竖缝，连梁有效截面高度均不宜小于400mm。对于带水平缝连梁，其上下部分有效截面高度均不宜小于300mm，以保证连梁具有足够的承载力和耗能能力。
图2 带竖缝连梁
1.2.3连梁承载力
从表4可以看出，LL2、LL3的抗弯、抗剪承载力和LL1相差不大，LL2还有所提高，而LL4却有较大幅度的减小。因此，从承载力的角度，LL2、LL3的做法优于LL4。
1.2.4连梁配筋
正如前文所述，地震作用下高层建筑的连梁内力往往很大，易出现截面超筋、超限情况。虽然采取了一定的处理措施（如“高规”（JGJ3-2002）第7.2.25条第3点），但有些设计人员仍将此类连梁的纵筋、箍筋配的很大。如：对截面为200mm×700mm的连梁，纵筋上下各配225，箍筋10@100，甚至纵筋上下各配425，箍筋12@100。从表3可以看出，这远远超出了连梁的实际最大有效配筋，不仅极大浪费，而且对结构抗震性能也是十分有害的。当连梁剪力设计值超过其截面限值时，增加箍筋的配置并不能有效提高其抗剪承载力。另外，过大的纵筋配置会使连梁变成“强弯弱剪”构件，从而使连梁发生脆性剪切破坏，这也是连梁抗震设计应避免的。
表3 连梁实配钢筋
表4 各连梁承载力及其与LL1 之比
1.2.5翼缘板内钢筋对连梁抗弯承载力的增大作用
从表5可以看出，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。
表5 有翼缘部分的连梁抗弯承载力
如：LL1增大56.7%，LL4增大43.8%，LL2、LL3的上部截面也分别增大34.7%和30.9%。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。
1.2.6连梁截面的转动能力和弯曲耗能能力
根据平截面假定，截面极限转角θ的大小与其截面高度h成反比；根据做功原理，截面的弯曲耗能能力的大小与截面弯曲承载力M和极限转角θ之积（即M×θ）成正比。因此，截面高度h越小其极限转角θ就越大，其截面变形能力就越强；截面弯曲承载力M和极限转角θ之积（即M×θ）越大，截面耗散地震能量的能力就越强。从表6可以看出，LL2、LL3、LL4的截面极限转角能力比LL1均有大幅提高，如：LL2提高133.3%，LL4提高75%；LL2、LL3、LL4的耗能能力比LL1分别提高154.9%、121.4%和13.3%。因此，从截面耗能的角度而言，连梁截面形式的优劣依次为LL2>LL3>LL4>LL1。
表6 连梁截面的极限转角及弯曲耗能能力
2连梁变形
连梁的变形由剪切变形和弯曲变形两部分组成，这两种变形组分的大小与连梁的跨高比λ密切相关。以双肢墙为例，采用连续化法假定，可导出连梁剪切变形δv与相对变形δ的比值公式：δ/δ=1/1+λ23。不同跨高比的δvδ见表7。住宅建筑中大多数连梁的跨高比λ<1.5，从表7可知，其变形以剪切变形为主，变形能力比较差，因此，即使其截面承载力比较大，但其耗能能力也比较有限。随着跨高比λ的增大，剪切变形的比例逐渐减小，弯曲变形的比例相应增大，连梁的变形能力增强，连梁的耗能能力也随之增强，这与上文的论述是一致的。
表7 δ/δ和跨高比λ之间的相对关系
3连梁设计的建议
在住宅建筑中，由于受到门窗洞口高宽的制约，造成大多数连梁的跨高比λ<1.5。这类连梁不仅变形能力差、耗能能力低，而且可能因不合理的配筋或设计时未考虑的因素而形成强弯弱剪构件，从而发生耗能能力更低的脆性剪切破坏。因此，在高层剪力墙住宅结构的抗震设计中，连梁作为抗震设防的第一道防线和主要地震耗能构件，其设计的合理与否直接决定着建筑物抗震性能的好坏。连梁设计时应综合考虑多方面因素对连梁变形能力、破坏形式和耗能能力的影响，仅仅依据电算结果和规范（程）的某些条款进行设计是不够的。
1）采用适当的截面形式，合理控制连梁的跨高比。跨高比的大小决定连梁变形能力的大小，一般认为当连梁跨高比λ>2.5时，连梁具有较好的变形能力。同时为保证连梁对墙肢的有效约束，连梁应具备足够的承载力，连梁截面高度也不宜小于400mm。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。
2）考虑翼缘板内钢筋对连梁弯曲承载力的增大作用。这是一个很容易被忽视的问题，但它会使连梁由设计意愿的“强剪弱弯”构件变为实际的“强弯弱剪”构件，从而使连梁由延性的弯曲破坏变成脆性的剪切破坏。因此，应根据连梁翼缘板内的配筋情况，调整连梁的纵筋配置，使连梁两向弯曲承载力相等或接近，而不应简单地采用习惯上的连梁截面上下对称配筋。
3）合理控制连梁配筋。对于剪力墙结构中的超筋、超限连梁，相当一部分设计人员简单地认为，在不超过最大配筋率的情况下将连梁钢筋尽可能配大一些是有利的，实际上这是一种错误的看法。正如前文所述，这不但不经济，而且对建筑物抗震也是有害的。合理的最大配筋应由连梁截面最大剪力设计值控制。
参考文献：
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论文作者:余励飞
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/10
标签：截面论文; 承载力论文; 能力论文; 作用论文; 高度论文; 弯曲论文; 结构论文; 《基层建设》2018年第22期论文;