對剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁設(shè)計問題的討論-

1、文章編號:1009-6825(201206-0026-02對剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁設(shè)計問題的討論收稿日期:2011-11-07作者簡介:劉滿紅(1983-,男,太原理工大學建筑與土木工程學院碩士研究生,山西太原030024王東波(1985-,男,太原理工大學建筑與土木工程學院碩士研究生,山西太原030024劉滿紅王東波摘要:肯定了剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑中的重要性,并對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)進行了討論,得出作為剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的第一道防線的連梁設(shè)計的重要性,通過對既有的連梁設(shè)計方案以及正在探索的一些方案進行了討論和比較,結(jié)合實際工程項目實例,分析了各種設(shè)計方案的優(yōu)缺點及使用范圍,旨在對以后的連梁設(shè)

2、計提出一些建議。關(guān)鍵詞:剪力墻,連梁設(shè)計,配筋中圖分類號:TU3982文獻標識碼:A 1研究背景隨著社會的發(fā)展,科技的進步,人們對房屋使用功能、房間組合等要求的不斷提高,不斷把建筑的高度推向更高的等級。隨之而來的問題就是如何提高高層建筑物抵抗側(cè)向荷載的能力,剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用解決了這個問題,剪力墻結(jié)構(gòu)由于其側(cè)向剛度大,變形小,能承受較大的側(cè)向力,在實際高層建筑中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。由于建筑形式上的限制及建筑使用功能上的要求,往往需要在墻上開一些空洞,從而形成兩個或多個相連的墻片。一般來說,剪力墻通過連梁把單片墻連接在一起,是延性剪力墻的第一道防線,因而連梁是剪力墻結(jié)構(gòu)中的重要耗能構(gòu)

3、件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,地震作用是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的主要因素之一,決定最終的設(shè)計結(jié)果,所以必須考慮延性設(shè)計。連梁的跨高比是指連梁凈跨與其截面高度之比,在整體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度足夠大的全剪力墻結(jié)構(gòu)中,宜選用跨高比偏大的連梁,以便能以常規(guī)配筋方式和截面抗剪設(shè)計方法達到不致過早發(fā)生梁端剪切破壞,從而使連梁具有足夠延性的目的1。而在剪力墻結(jié)構(gòu)中,因剪力墻承擔絕大部分水平荷載,故建議當有必要時宜選用跨高比偏小的連梁以保證結(jié)構(gòu)所需的側(cè)向剛度。在這種情況下,就有可能使用跨高比偏小的連梁。在按延性要求設(shè)計的剪力墻中,這類主要受水平荷載引起的內(nèi)力作用的小跨度比連梁屬于兩端剛接、反彎點在跨中的反對稱彎曲深梁。這類

4、連梁因剪彎比相對較大,若仍采用包括“強剪弱彎”措施等常規(guī)抗震框架梁的截面抗剪設(shè)計方法及配筋方式,已無法避免梁過早出現(xiàn)剪切破壞,從而無法實現(xiàn)對連梁的高延性、高耗能能力要求,而且連梁設(shè)計是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)。因此,如何找到一種施工難度不大,又能使連梁具有高延性、高耗能能力的配筋方案,就成為鋼筋混凝土延性抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中所剩不多的需要重點突破的問題之一。本文主要介紹了當今實際工程中最常見的連梁設(shè)計方法,以及有一定理論及實驗數(shù)據(jù)支持的連梁設(shè)計方法,并對各種設(shè)計方法進行討論、鑒別、比較,得出各種設(shè)計方法的優(yōu)缺點以及最適應(yīng)的使用范疇。2連梁的類別及受力特點連梁分為兩種類型:1在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中,連接

5、框架與剪力墻的梁;2在剪力墻結(jié)構(gòu)中,連接墻肢與墻肢的梁。本文主要介紹后者,且跨高比小于5的梁。連梁與普通梁在截面尺寸和受力變形等方面有所不同,由于其跨度小而梁截面高度大,與深梁比較接近,在計算普通梁所用的平截面假定已經(jīng)不再適用。同時,豎向荷載產(chǎn)生的彎矩與剪力不大,而在風荷載和水平荷載作用下與墻肢相互作用產(chǎn)生的約束彎矩與剪力較大,約束彎矩在梁兩端方向相反。這種反彎作用使梁產(chǎn)生很大的剪切變形,對剪應(yīng)力十分敏感,容易出現(xiàn)斜裂縫。在反復(fù)荷載作用下,還容易形成交叉裂縫,使混凝土酥裂,延性較差。連梁一般具有跨度小、截面大,與連梁相連的墻體剛度又很大等特點。一般在風荷載和地震荷載的作用下,連梁的內(nèi)力往往很大

6、。3連梁在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要性連梁是剪力墻結(jié)構(gòu)中連接墻肢與墻肢的梁,一般具有截面大,剛度大等特點。高層結(jié)構(gòu)中的連梁是一個耗能構(gòu)件,高層結(jié)構(gòu)在水平力作用下連梁的內(nèi)力往往很大,可能因承載力超限而破壞。從大量的試驗結(jié)果資料來看,剪力墻的破壞往往首先發(fā)生在連梁與墻肢相交接的地方。有關(guān)實驗數(shù)據(jù)顯示,剪力墻試件的最終破壞均發(fā)生在連梁上,在連梁與墻肢相交處上下方出現(xiàn)垂直裂縫,隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增多、數(shù)值的增大,垂直裂縫發(fā)展很快,很快成為主裂縫并上下貫通,最終裂縫附近的混凝土被壓碎崩落,縱筋屈服,個別縱筋甚至屈曲外鼓。同時連梁上有相當數(shù)量的斜裂縫出現(xiàn),這說明連梁承擔的剪力也很大。連梁是整個剪力墻結(jié)構(gòu)的薄弱

7、環(huán)節(jié),必須引起重視。4連梁的破壞形態(tài)當跨高比大于25時,連梁的破壞形態(tài)以彎曲破壞為主;櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅當跨30曹玉生,王東,王卉娜鋼管混凝土隅撐框架的抗震性能研究J 工業(yè)建筑,2008,38(sup :459-462On seismic performance of steel-tube concrete column joint of metal damperLI Cheng-yuZHAO FengAbstract :This paper introduces stress features and resea

8、rch status of steel-tube concrete joint ,analyzes current basic-type and improving-type joint research achievements ,puts forward metal damper set in frame system ,which can effectively realize seismic performance of the structureKey words :steel-tube concrete ,joint ,seismic performance·62

9、3;第38卷第6期2012年2月山西建筑SHANXIARCHITECTUREVol38No6Feb2012高比大于5時,連梁的力學性能與框架相似。對于跨高比較小的連梁而言,普通配箍梁受彎鋼筋屈服后有三種破壞形態(tài)。彎曲破壞、剪切滑移破壞和剪切斜拉破壞。剪切滑移破壞和剪切斜拉破壞都是由鋼筋屈服后變形引起的剪切變形破壞。彎曲破壞和剪切滑移破壞具有一定的延性,而剪切斜拉破壞幾乎沒有延性。影響普通配筋梁的破壞形態(tài)和延性因素,主要是剪壓比(截面上的平均剪應(yīng)力相對值和配箍數(shù)量。所以改善普通配箍梁延性的主要措施是限制剪壓比和提高配箍數(shù)量。限制連梁的平均剪應(yīng)力,實際上是限制連梁縱向鋼筋的配筋數(shù)量?？绺弑扔?限

10、制愈嚴格,有時甚至不能滿足彈性計算所得設(shè)計彎矩的要求。此時,用加高梁斷面尺寸的做法是不明智的,應(yīng)當設(shè)法降低連梁的彎矩,加大連梁截面厚度或提高混凝土等級。5連梁超筋處理及配筋方案討論增大剪力墻的洞口寬度;在連梁中部開水平縫;在計算內(nèi)力和位移時對連梁剛度進行折減;對局部內(nèi)力過大層的連梁進行調(diào)整等,仍難使連梁的設(shè)計符合要求。1普通配筋方案。即在連梁中只配置縱向受力鋼筋和箍筋的一種配筋方式。在實際工程中這是一種極為常見的配筋方式,由于其施工簡單方便,故使用比較多。唯一的問題就是在這種配筋的情況下經(jīng)常會出現(xiàn)超筋,遇到這類問題時常采用降低連梁剛度,減少地震作用及提高連梁抗剪承載力的方法處理。即容許開裂,剛

11、度折減;降低梁高;洞口加寬,增加梁長;提高混凝土強度等級;增加墻厚;增加連梁的截面寬度等。2交叉暗柱式配筋方案。如果普通配筋經(jīng)過超筋調(diào)整仍沒有顯著效果時,可以使用交叉暗柱式配筋方案。試驗表明,這類連梁在跨高比為13的情況下,可以穩(wěn)定達到60的位移延性系數(shù),且耗能性能良好2。而且這種配筋方案中這兩組鋼筋在梁端截面中將以其軸力的豎向分量參與抗剪,從而減輕梁內(nèi)其余抗剪成分的負擔,提高連梁的抗剪能力;交叉斜筋能抑制交叉斜裂縫的開展并能有效防止沿垂直裂縫形成的滑移型剪切失效;由于在直至剪切破壞發(fā)生前大部分梁腹交叉斜裂縫寬度不大,滯回曲線捏攏現(xiàn)象始終不明顯,故連梁始終保持良好的塑性耗能能力,所以具有良好的

12、抗震性能。3菱形斜筋配筋方案3。這種配筋方案并不增加施工難度,但斜向鋼筋在梁腹及兩個梁端截面分布更加均勻,因而能更充分改善連梁抗震性能的效果。4雙連梁設(shè)計方案。所謂雙連梁是指在連梁中部以水平縫隔開的上下兩根連梁4。在多遇地震作用下,連梁的超筋多為抗剪截面不夠,這時建議采用水平設(shè)縫的雙連梁,并采用合適的等效截面。但在罕遇地震作用下,由于在計算假定、截面選取等方面存在諸多困難,實際連梁與等效連梁在設(shè)計計算及受力模型上存在很大的差異,且難以確保大震下連梁的強剪弱彎,易造成大震下結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的各個擊破,難以實現(xiàn)大震不倒的抗震設(shè)計基本要求,不建議在抗震建筑尤其是強震區(qū)使用。5鋼板連梁設(shè)計方案。在連梁中用鋼

13、板代替鋼筋,用來改善混凝土連梁的各種受力性能。內(nèi)置鋼板混凝土連梁與混凝土剪力墻節(jié)點具有更高的承載力、延性和更好的變形性能;內(nèi)置鋼板混凝土連梁與混凝土剪力墻節(jié)點具有良好的抗震性能,承載力和剛度的退化較慢;因鋼板屬于平面構(gòu)件,免去節(jié)點區(qū)豎向鋼筋需要穿過型鋼翼緣的麻煩,與其他形式的組合結(jié)構(gòu)節(jié)點相比施工更加便利,是值得推廣的一種節(jié)點形式5。6設(shè)計建議在墻肢和連梁的協(xié)同工作中,剪力墻應(yīng)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(jié)構(gòu)應(yīng)該處于彈性工作狀態(tài),連梁不應(yīng)該產(chǎn)生塑性鉸。在地震作用下,結(jié)構(gòu)允許進入彈塑性狀態(tài),連梁可以產(chǎn)生塑性鉸。根據(jù)抗震設(shè)計規(guī)范總則的要求,建筑物在遭受低于本地區(qū)設(shè)防烈度的

14、多遇地震影響時,一般不損壞或不需修復(fù)仍可使用,當遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震時,不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞。因此,剪力墻的設(shè)計應(yīng)該保證不發(fā)生剪切破壞,也就是要求墻肢和連梁的設(shè)計符合強剪弱彎的原則,同時要求連梁的屈服要早于墻肢的屈服,而且要求墻肢和連梁具有良好的延性。因此在實際工程中要使連梁設(shè)計滿足強剪弱彎的原則就必須考慮以下幾個方面:關(guān)于連梁剛度的折減。連梁由于跨高比小,與之相連的墻肢剛度大等原因,在水平力作用下的內(nèi)力往往很大,連梁屈服時表現(xiàn)為梁端出現(xiàn)裂縫,剛度減弱,內(nèi)力重分布。因此在開始進行結(jié)構(gòu)整體計算時,就需對連梁剛度進行折減。一般在實際設(shè)計中我們在05 10之間取值,以符合截面

15、設(shè)計的要求。增加連梁跨度減小高度。在連梁設(shè)計中,剛度折減后,仍可能發(fā)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(jié)構(gòu)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,則可采取調(diào)整連梁內(nèi)力來解決。調(diào)整的幅度不宜大于20%,且連梁必須滿足“強剪弱彎”的要求。參考文獻:1郭鳳香高層建筑剪力墻連梁受力性能的研究D 西安:西安科技大學,2006:1-892趙杰林改善洞口連梁抗震性能的一種有效配筋方案J 重慶建筑大學學報,2003,25(5:24-303曹云鋒抗震剪力墻小跨高比洞口連梁有效配筋方式的試驗研究D

16、 重慶:重慶大學,2003:1-1314孫宏兵高性能混凝土雙連梁剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能分析D 合肥:合肥工業(yè)大學,2010:1-715馬思文內(nèi)置鋼板混凝土連梁與混凝土剪力墻節(jié)點性能研究J 科技信息,2011(15:356-387Discussion on design for coupling wall issue in shearing wall structureLIU Man-hongWANG Dong-boAbstract :The paper gives the positive comments on the importance of the shearing wall struct

17、ure in the high-rise buildings ,discusses the weak points for the design of the shearing wall structure ,concludes the importance of the shearing wall structure as the first defending line for the anti-seismic design ,discusses and compares the existing coupling wall design scheme and the exploring schemes ,and analyzes the advantages