高层建筑连梁设计

高层建筑连梁设计（精选8篇）

高层建筑连梁设计 篇1

1 连梁的概念和作用

连梁是指在剪力墙结构和框架-剪力墙结构中连接剪力墙与剪力墙、剪力墙与框架柱且跨高比小于5的梁。连梁往往受建筑设计的限制具有跨度小,截面大,在水平力作用下与之相连的构件刚度大,容易出现剪切斜裂缝等特点。连梁在结构中除了承受竖向荷载外,在水平荷载作用下,也会产生不小的内力。连梁在风荷载和水平地震作用下,端部产生的弯矩、剪力和轴力,能够减小与之相连的墙肢的内力和变形,对墙肢起到一定的约束作用,改善墙肢的受力状态。

2 连梁的工作和破坏机理

在风荷载和地震荷载作用下,墙肢产生弯曲变形,使连梁产生转角,从而使连梁产生内力;同时,连梁端部的弯矩、剪力和轴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作用,改善了墙肢的受力状态。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)。连梁在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P-Δ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。

3 设计的建议

在墙肢和连梁的协同工作中,剪力墙应该具有足够的刚度和强度。在正常的使用荷载和风荷载作用下,结构应该处于弹性工作状态,连梁不应该产生塑性铰。在地震作用下,结构允许进入弹塑性状态,连梁可以产生塑性铰。根据抗震设计规范[1]总则的要求,建筑物在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时,一般不损坏或不需修复仍可使用;当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。因此,剪力墙的设计应该保证不发生剪切破坏,也就是要求墙肢和连梁的设计符合强剪弱弯的原则。同时,要求连梁的屈服要早于墙肢的屈服,而且要求墙肢和连梁具有良好的延性。因此,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《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第5.2.1条规定:“高层·建筑结构地震作用效应计算时,可对剪力墙连梁刚度予以折减,折减系数不宜小于0.5”,一般在实际设计中我们在0.50~1之间取值,以保证连梁有足够的承受竖向荷载的能力和正常使用极限状态的性能。联肢抗震墙在水平地震力作用下,连梁两端弯矩相同,反弯点在跨中。连梁的剪跨比较小、刚度大,若按连梁实际刚度进行结构分析,所得连梁剪力值较大,可能超过剪压比限值,使连梁剪切破坏。对于抗震设计,连梁的刚度并不是越大越好,而是要适当降低连梁刚度。连梁刚度折减后,使水平地震力产生的梁端约束弯矩降低,同时也降低了连梁的剪力和剪压比,避免剪切破坏,有利于实现强剪弱弯的延性连梁。

3.2 连梁剪力设计值

按强剪弱弯的设计原则,连梁的剪力设计值要由其实际的受弯承载力确定。《高层建筑混凝土结构技术规程》89版中,一级抗震墙的连梁即按实际受弯承载力计算连梁剪力设计值。2010版作了简化,采用组合剪力乘以增大系数的方法确定连梁的剪力设计值;9度时,还要按实际的受弯承载力计算剪力设计值,取两者的大者验算受剪承载力。增大系数的取值,主要考虑了材料的实际强度、连梁实配受弯钢筋的面积超过计算所需的面积,以及不同抗震等级对“强剪弱弯”的不同要求。需注意的是,连梁两端弯矩设计值之和为顺时针方向之和及逆时针方向之和两者的较大值。由于采用增大系数的方法,容易使设计人员忽略受弯钢筋量的限制,规范分别给出了连梁最小和最大配筋率的限制,防止连梁的受弯钢筋配置过多。

3.3 连梁斜向配筋

跨高比小的连梁容易剪切破坏,即使是按强剪弱弯设计,在梁的两端屈服出现塑性鉸后,仍难避免剪切破坏。为了改善跨高比小的连梁的性能,从而改善联肢墙的抗震性能,规范增加在构造上的一些要求,例如钢筋锚固、箍筋配置、腰筋配置等。对跨高比不大于2的框筒梁和内筒连梁宜增配对角斜向钢筋。对跨高比不大于1的框筒梁和内筒连梁宜采用交叉暗撑。为了方便施工,交叉暗撑的箍筋不再加密。

3.4 连梁跨度增加或降低连梁截面高度

在连梁设计中,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。当连梁剪力设计值超过限制时,减小连梁截面高度,从而达到较少连梁计算内力的目的,同时增大剪力墙的地震效应设计值。

3.5 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。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,因此有可能使连梁的受剪承载力不超限。

3.6 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。

在实际工程设计时遇到连梁超限,可采用上述措施。若少数连梁仍超限,且超限连梁对结构承受竖向荷载无明显影响时,可考虑在大震作用下该连梁不参加工作,剪力墙按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下的结构内力分析。在这种情况下,剪力墙的刚度降低,侧移增大,墙肢的内力和配筋亦增大。为保证安全,墙肢按两次计算所得的较大内力进行配筋计算,第二次计算时位移不限制。超限连梁的箍筋可按截面受剪力限制条件计算确定,超限连梁的纵向钢筋则按斜截面受剪承载力进行配筋计算。

4 连梁的配筋计算

根据《混凝土结构设计规范》,在连梁设计方面,对于连梁抗震设计时跨高比大于2.5及小于2.5两种情况,在截面受剪承载力及配筋方面均有不同规定。在结构计算时这类连梁往往发生受剪承载力的超限,这时可以将受力筋均匀布置。同时,考虑到连梁以承载水平荷载为主,支座弯矩主要由水平荷载引起,在反复的水平荷载作用下,支座截面上、下受拉筋面积相近,可以采用截面对称配筋。在连梁配筋中,配置平行筋往往导致斜向受拉破坏或由于箍筋过量而发生剪切滑移破坏,这些破坏将导致连梁的滞回曲线变坏,耗能能力下降。若采用菱形配筋方式,可以克服这些不足之处。

5 结语

高层建筑剪力墙连梁的设计受很多因素的制约。连梁的内力和剪力墙的多少、每片剪力墙的水平力大小、连梁的刚度、与之相连的墙肢刚度等都有关。因此,在设计时,问题是比较复杂的。设计时要把互相制约的因素统一协调,以取得比较理想的结果。连梁设计作为剪力墙结构设计中一项重要环节,受内力、刚度等很多因素的制约,应当首先了解其工作机理及特性,并从概念设计的需要和可能,在满足各项要求的情况下对其进行设计。

参考文献

[1]GB200111—2010,建筑抗震设计规范[S].

[2]JGJ3—2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]GB50010—2010混凝土结构设计规范[S].

[4]北京市建筑设计研究院.建筑结构专业技术措施[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[5]王志全.高层建筑剪力墙中的连梁设计[J].山西建筑,2007,33(31):79-80.

浅谈连梁在结构抗震中的合理设计 篇2

【关键词】剪力墙结构；连梁设计

前 言

随着我国工业化、城市化建设进程的加快， 城市建設不断朝着高层、超高层建筑方向发展，框架-剪力墙及剪力墙结构体系设计日渐频繁，结构体系中连梁不仅是墙肢之间传力的纽带，而且还是抗震设防的第一道防线和主要耗能构件，设计是否合理直接决定建筑抗震性能好坏，其合理的刚度对结构的安全、经济性影响重大。下面对连梁的工作机理进行探讨并提出连梁设计相关建议，为工程设计提供参考。

1、连梁的工作和破坏机理

1.1 高层建筑在风荷载和地震力作用下， 由于连梁两端的墙肢受到不均匀地压缩， 在连梁两端产生竖向的位移差， 并在连梁内产生内力。但是连梁端部的弯矩、剪力和轴力反过来减小了墙肢的内力与变形， 对墙肢起到一定的约束作用， 并改善了墙肢的受力。

1.2 高层建筑剪力墙的连梁在水平荷载作用下的破坏可分两种， 第一种属于脆性破坏（即剪切破坏）， 第二种属于延性破坏（即弯曲破坏）。当连梁发生脆性破坏时其承载力丧失，如果沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时， 各墙肢就丧失了连梁对它的约束作用， 并成为单片的独立梁。从而造成结构的侧向刚度大大降低， 结构的变形加大， 并且进一步增大P—Δ 效应（竖向荷载由于水平位移而产生的附加弯矩）， 最终可能造成结构的倒塌。当连梁发生延性破坏时， 梁端出现垂直裂缝， 受拉区出现微裂缝， 在地震作用下会出现交叉裂缝， 并形成塑性鉸， 因此结构刚度降低， 变形加大， 从而会吸收大量的地震能量。由于通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力， 并对墙肢起到一定的约束作用， 使得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。

2、合理结构体系的连梁设计

根据以上对连梁的工作和破坏机理的分析， 为保证墙肢和连梁一致协同地工作， 在正常的使用荷载和风荷载作用下，结构应处于弹性工作状态， 连梁不应该出现塑性铰。在地震作用下， 结构允许进入弹塑性状态， 连梁可以产生塑性铰。根据抗震设计规范总则的要求，所以连梁设计的要求符合“强剪弱弯”的原则， 连梁的屈服要早于墙肢的屈服， 并保证墙肢和连梁具有良好的延性。因此在日常设计中， 为了建立合理的结构模型， 我们应该把握以下几种方法：

2.1 连梁刚度的折减

<1> 《高规》第5.2.1 条规定：在内力与位移计算中， 抗震设计的框架剪力墙或剪力墙结构的连梁刚度可以折减， 折减系数不宜小于0.5。之所以考虑对连梁刚度进行折减， 是由于在侧向荷载作用下， 混凝土的开裂引起了刚度降低。在地震作用下， 连梁的裂缝开展和塑性变形比在风荷载作用下更大， 因此刚度降低更多。刚度折减越多意味着在设计荷载作用下裂缝开展越大。在超载时， 如发生强大的阵风力或地震烈度超过多遇地震烈度时， 塑性铰就会出现更早， 所以要加强连梁的延性和使连梁符合强剪弱弯要求。对位移由风荷载控制的建筑， 为避免连梁在使用荷载作用下裂缝开展过大， 连梁刚度折减系数不宜小于0 .8 。按《高规》规定， 在计算竖向荷载作用下的内力时， 对已经考虑连梁调幅的， 不应再考虑刚度折减。

2.1 .2 抗震设计剪力墙结构连梁的弯矩和剪力可进行适当塑性调幅， 以降低其剪力设计值。但在结构计算中已对连梁进行了刚度折减， 其调幅范围应限制或不再调幅。当部分连梁降低弯矩设计值后， 其余部位的连梁和墙肢的弯矩应相应加大。一般情况下， 经全部调幅（包括计算中连梁刚度折减和对计算结果的后期调幅）后的弯矩设计值不宜小于调幅前（完全弹性）的0.8 倍（6， 7 度）和0.5 倍（8， 9 度）。但是我们应该注意：

（1）这调整方法考虑连梁端部的塑性内力重分布， 对跨高比较大的连梁效果比较好， 而对跨高比较小的连梁效果较差。

（2）经此调整， 仍可确保连梁对承受竖向荷载无明显影响。

2.2 加大连梁跨度减小其高度

在连梁设计过程中， 其刚度经折减后， 仍有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， 以减小连梁刚度。减小结构的整体刚度， 就是减小了地震力作用的影响， 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。但是调整的幅度不宜大于20 %， 且连梁必须满足强剪弱弯原则。

2.3 加大剪力墙厚度

为了是增加连梁的截面宽度。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， 因此有可能使连梁的受剪承载力不超限。

2.4 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。

2.5 处于地震区的高层建筑剪力墙的连梁

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。

2.6 连梁的铰接处理

当连梁的破坏对承受竖向荷载无明显影响（即连梁不作为次梁的支承梁）时， 可假定该连梁在大震下破坏， 对剪力墙按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下的结构内力分析。实际计算时， 为减小结构计算工作量， 可将连梁按两端铰接梁计算。这时我们应该注意：

（1）事实上， 通过采取恰当的构造措施可确保连梁对剪力墙的约束不完全丧失， 避免出现独立墙肢。采用铰接处理就是考虑了大震时连梁对剪力墙仍能保持一定的约束作用。

（2）调整的连梁为其破坏对承受竖向荷载无明显影响的连梁， 即该连梁不作为次梁或主梁的支承梁。

（3）此计算为第二次， 是对剪力墙进行包络设计的重要步骤之一。

（4）实际操作中， 经常会出现将某根超筋连梁进行铰接处理后， 引起其他位置原来不超筋的连梁超筋。上述的措施中， 在满足结构整体刚度的情况下， 可优先采用刚度折减， 如果仍超限， 可采用其余措施， 如在连梁中部开水平缝等等。但是总的原则是建立合理的模型并尽可能不超筋。

3、结 语

在框架-剪力墙及剪力墙结构体系的抗震设计中，连梁作为抗震设防的第一道防线和主要耗能构件，设计是否合理直接决定建筑抗震性能好坏，其合理的刚度对结构的安全、经济性影响重大。应通过结构合理分析比较，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，并在保证“强剪弱弯“的原则同时合理控制连梁的刚度。

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》中国建筑工业出版社.JGJ3-2010.

[2]《建筑抗震设计规范》中国建筑工业出版社.GB50011-2010 .

[3]《建筑结构设计问答及分析》朱炳寅.北京：中国建筑工业出版社， 2009 .

刍议高层建筑剪力墙的连梁设计 篇3

经过数次地震的洗礼, 可以看得出来, 在许多高层建筑中, 大体的墙肢是可以保持完整的, 但是连梁会受到地震的破坏, 这个现象说明了建筑墙肢起到保护的作用, 因此我们可以得出强剪弱弯的原则。连梁的跨度小, 而且横截面积大, 并且和连梁接触的墙肢必须是刚度大的, 这三个特点缺一不可。水平作用力的存在经常使得连梁受到的压力很大, 还有在连梁的两端, 会受到不同重量的墙肢挤压, 这种不均匀的挤压也会使得连梁承受巨大的压力。所以在连梁设计中采取许多措施来降低这种压力, 从而减轻连梁的内力, 增大连梁的寿命。

1连梁的介绍

最近几年, 我国已经改进了建筑的材料问题, 使用混凝土作为建筑的主要材料, 使得剪力墙更加能够抗扭曲以及抗侧, 即使建筑受到地震的不利作用也不会有很大的变形, 而且承载能力很大, 是建筑中很重要的构件。

剪力墙包括两个方面, 一个方面是墙肢, 另外一个方面是连梁。连梁就是在建筑中的墙肢之间以及墙肢和框架柱之间起到连接作用。它不同于一般情况下我们见到的梁, 因为它不仅仅只是一个起到受力作用的构件, 还有更多的其他作用, 比如它的连接, 可以使墙与墙相互传力, 从而使得相离的墙体之间整体工作。连梁最主要的种类有两种, 种类与其功能相互对应, 第一种就是可以连接相离的墙肢, 第二种就是连接框架柱以及墙肢。连梁的功能使它必须具备达到要求的刚度, 如果刚度达不到, 那么连梁的功能就会无法实现, 所以在连梁设计中想方设法增加连梁的强度是至关重要的。经过无数次的实验研究和实验总结, 如果跨度比小于5的话, 就容易导致剪切裂缝损坏, 在不小于5时, 连梁的刚度达不到要求, 就无法起到传力的作用, 由此得出连梁的跨度比如果小于5的话, 在设计时, 应该根据框架梁来算和进行构造方面的设计。在水平作用力的影响之下, 连梁的破坏有两种, 分别是脆性破坏以及延性破坏。

2 连梁设计需要注意问题以及解决方案

对于高层建筑来说, 为了保证墙肢与连梁的工作能够正常进行, 以及协调合理, 剪力墙的刚度与强度是需要符合要求的。在平常使用的时候产生的压力, 以及来自风的压力都会使连梁的内力增加, 在这种工作状态中, 连梁不能有塑性铰, 但是在特殊的情况下, 比如发生地震的时候, 连梁是允许有塑性铰的。抗震设计中有地震时对建筑物的要求, 在遇到强度不大, 没有超过本地区设防的地震时, 建筑在地震后应该能够使用, 在遇到强度大, 超过设防的地震时, 建筑物不会倒塌, 更不会对人们的生命造成严重威胁。所以在建筑的设计时, 需要注意建筑不会产生剪切破坏, 墙肢与连梁应该具有比较好的延展性能。

2.1 连梁刚度的处理

连梁的内力经常挺大, 有很多原因, 这里简单介绍其中两个主要的原因, 首先, 跨度比小, 其次与之相连的墙肢刚度有可能会非常大。连梁在屈服时会导致梁端产生裂缝, 连梁的刚度减小, 连梁的内力也会重新分布。所以在一开始计算时, 就要特别关注连梁刚度的处理。

有关规定指出, 对于建筑连梁刚度来说, 可以视情况折减, 但是折减的系数要在0.55以上, 通常在设计的时候, 会取0.55~1之间的数值, 以求能够满足设计的要求。

为了增强建筑的抗风能力, 在进行连梁设计时, 可以使其刚度以及承载力尽可能的大一些, 来增大建筑的整体刚度, 以降低对钢筋的使用量。建筑的抗风能力对于沿海城市的居民来说是非常重要的, 对城市的发展也是很重要的, 尤其是在夏季, 台风的肆虐需要建筑抗风能力的阻拦, 所以在设计的时候要特别关注这个方面。建筑的坚固性是其几大属性之一, 在地震来临的时候起到的作用相当突出。为了增强建筑的抗震能力, 在连梁设计时, 需要注意连梁的尺寸, 不应该过大, 这是为了避免剪力的增大。也可以增加其截面厚度调整连梁的承载力, 这样的措施不会使剪切力增加, 虽然措施很好, 但是不容易实现。

2.2 调整连梁内力

塑性调幅能够使设计的剪力值减小。塑性调幅的方法有两种, 一种是设计时也要注意内力值的计算要在折减连梁刚度之前, 一种是计算出内力值之后, 把连梁弯矩以及剪切力的组合值与折减系数相乘。这两个办法的采取都可以使连梁内力降低, 并且减小配筋。但是如果结构计算时, 已经进行过刚度折减的话, 连梁的调幅范围需要受到限制, 或者是不再进行调整。在一些连梁减少了弯矩值之后, 相应的其他部位的值也应该有所提高。不管采用什么办法, 调整后的值都不能比正常使用的值低, 而且要参考地震设防的数据, 不能低于这个数值, 以防止当正常使用或者是发生地震时, 建筑的连梁产生裂缝, 使建筑的安全无法保证, 给人们带来生命的威胁。

2.3 提高延展性能

在多次的地震灾害中, 据有关调查, 我们可以看出连梁延展性能在保护建筑不受到地震破坏的方面起到非常大的作用, 给社会以及人们带来了灾难中的安稳, 所以, 延展性能的提高势在必行。有一点需要注意的是, 在进行连梁设计时, 除了要使连梁所受内力在预算之内, 还要保证建筑的构造合理。提高延展性能最有用的措施就是交叉斜筋的使用, 把它配置在连梁的内部, 就可以在一定的程度上保证延展性。目前提高延展性的措施不多, 我国的科学家以及相关技术人员需要在这个方面多做探究。

2.4 使用材质较好的混凝土

材质较好的混凝土, 在一定程度上会使连梁承受剪切力的能力不超过限制。但是不能随意的使用增加等级的混凝土, 这是一个限制, 所以这种方法不经常用。

2.5 截面高度的调整

如果连梁剪应力比设定的限制值高时, 就不能增加截面的高度, 因为这样会使剪应力增多, 对建筑的稳固更加不利。如果截面高度经过调整之后变小, 那么连梁也会随之降低其刚度, 在很大的程度上保证了承载力不高过限制值, 从而减轻了地震带来的不利后果。这是一种比较实用的方法。在设计时, 如果门窗部位的连梁超筋, 就可以使用这个方法, 降低连梁截面高度, 并且在同一时刻增加过梁。使得过梁的两个端进到剪力墙之中, 与其同时进行现浇。用砌块补填在空隙里面。这个方法的注意事项是连梁高度要适宜, 这是由于如果连梁高度很小的话, 就不能消耗掉比较多的能量, 也不能降低对墙肢的损坏程度, 并且不能够对墙肢具有很大的约束力, 使其和地震的强大力量抗衡。

2.6 主梁支座

在建筑设计原则里, 是不能使用连梁作为主梁支座的, 这是因为建筑主梁对一栋建筑来说是非常重要的, 连梁的损坏因素多, 如果连梁损坏, 就会导致整个建筑的坍塌或者是变形, 不光是影响人们的日常生活, 更是对人们的生命安全带来威胁。但是在许多状况下, 比如说建筑的功能, 使得我们必须做出让连梁作为主梁支座的无奈之举。在进行设计时, 就要着重注意连梁的坚固性, 采取各种措施来加固它, 使其不会损坏。目前知道的措施主要有:提高配筋率, 加设钢筋的倾斜方向构造, 抗弯计算, 最后是与连梁相接的墙肢需要增加钢筋的使用数量。

2.7 提高连梁跨度

连梁设计时, 在折减刚度之后, 还有可能会造成连梁承载力不足的情况, 面对这种问题, 可以提高洞口宽度来降低连梁的刚度, 从而降低了建筑的整体刚度, 减轻了地震的不利影响, 保护连梁, 使其承载力不超过限制值。如果仅仅是一些连梁超筋或者是超过限制值, 则可以通过连梁内力解决这个问题。

2.8 连梁在地震时不工作

注意以上几个方面之后, 在许多实际建筑工程中绝大多数的连梁能够满足要求, 但是连梁超筋状况还是会有可能发生。连梁配筋措施:首先, 在计算抗剪箍筋之前, 要计算出连梁所能够支持的最大剪应力, 其次, 需要按照弯矩值来算连梁纵筋。在地震到来的时候, 受地震强度的影响, 连梁两头的弯矩在很短的时间之内就会达到最大的承受值, 产生塑性铰的情况, 连梁两头的弯矩也不会再升高。在连梁设计时, 我们需要保证当连梁两头的弯矩达到最大限度时, 连梁的抗剪应力能力还能够有所多余, 这样连梁就不会被破坏掉, 建筑的安全就有了保证。

高层建筑剪力墙的连梁设计并不是很容易, 它受到方方面面多重因素的影响, 设计人员在设计连梁时需要注意诸多因素, 连梁的刚度, 跨度比等等, 所以需要综合考虑, 统筹兼顾, 以求设计出较好的作品, 使建筑的抗震能力增加, 给人们以及社会带来安全。

参考文献

高层建筑连梁设计 篇4

随着我国社会经济的高速发展, 人口以及各种资源在城市快速聚集, 城市人口密度越来越大, 地价不断飞涨, 而新建楼盘大多选择以较小的土地面积获取最多的建筑面积, 这导致高层建筑成为城市发展的必然产物。走在城市中, 我们时常可以看到新建的高层写字楼、高层住宅, 其中绝大部分采用了剪力墙、框架—剪力墙、筒体结构体系, 这些结构体系中大范围的剪力墙上都布置有许多的连梁, 那么连梁有什么重要作用;为什么在设计中总是会出现连梁超筋的问题;遇到连梁超筋该怎样处理;连梁设计又该注意哪些问题。这些就是我们今天需要讨论的内容。

1 连梁的定义及工作机理

连梁是指在包含剪力墙的结构体系中两端与剪力墙在平面内相连的梁 (《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.1.3条的条文说明) 。换成普通的说法:连梁是两片墙中间有洞口或断开, 但受力要求又要连在一起而增加的受力构件。在连梁上下一般设置有洞口, 比如门窗洞口、较长墙肢因受力需要设置的结构洞等。

对于联肢剪力墙而言, 墙肢的延性、刚度、承载力等与相接的连梁有很大的关系。作为结构体系中抗震设防的重要构件, 连梁的跨高比小, 其所受的竖向荷载成为了次要受力类型, 而像风荷载和地震荷载作用下对墙肢产生的水平力则成为了主要因素, 受力后墙肢的弯曲变形导致与墙肢相接的连梁两端承受反向弯曲作用, 相应产生转角变形和内力, 而连梁端部的弯矩、剪力和轴力又反作用于墙肢, 对墙肢起到了约束作用, 改善了墙肢的受力状态, 减小了内力和变形, 连梁和墙肢就是这样相互作用, 相互联系的。

高层建筑剪力墙体系中, 在水平荷载作用下连梁的破坏分为脆性破坏 (剪切破坏) 和延性破坏 (弯曲破坏) 。连梁的脆性破坏:连梁的剪力通过梁的受压区传递至与其相连的墙肢, 连梁受压区在地震作用下产生弯曲裂缝后抗剪能力已大幅下降, 当连梁因延性不足, 在未达到极限抗弯承载力时就因剪切破坏而丧失了承载力。若各楼层所有连梁均因剪切破坏而退出工作, 各墙肢也会因为丧失了连梁的约束而成为单片悬臂墙, 此时墙肢弯矩增大, 侧向刚度降低, 不断加大的位移进一步增加P—Δ效应 (竖向荷载由于水平位移而产生的附加弯矩) , 这对结构是十分不利的, 会最终导致结构丧失效力。连梁的延性破坏:连梁在弯矩作用下, 受拉区出现裂缝, 随着荷载增加梁产生应力重分布, 当荷载达到极限承载力时, 裂缝进一步扩大, 产生弯曲破坏。需要说明的是, 这种弯曲破坏形式中虽然连梁先于墙肢屈服, 但因其具有足够的延性, 梁端可形成塑性铰, 塑性铰既能消耗大量的地震能量, 又能继续传递剪力和弯矩, 对墙肢依然具有约束作用, 保证了剪力墙具有足够的刚度和承载力。在这一过程中, 连梁具有消耗地震能量, 减少墙肢内力, 延缓墙肢屈服的重要作用。

2 连梁的设计要点

一般连梁的高度大, 连接的墙肢刚度也大, 对剪切受力十分敏感, 其设计具有一定的特殊性:小震和受风荷载作用的正常使用状态下, 连梁具有约束墙肢、提高墙体刚度的作用;中震时它是联肢墙的第一道防线, 应先于墙肢出现弯曲屈服, 利用塑性铰和自身有限的破坏吸收地震能量;大震时允许其出现剪切破坏。《建筑抗震设计规范》第6.4.5条条文说明已明确指出开洞的联肢墙, 应当以连梁首先屈服, 然后墙肢的底部钢筋屈服、形成塑性铰的顺序为强震作用下的合理破坏过程。在设计前我们应先了解它的这些性能和特点, 从概念设计为先, 尽力做到“强肢弱梁”“强剪弱弯”, 即弹性区要强、塑性区要弱, 墙肢要强、连梁要弱, 抗剪强度要强、抗弯强度要弱。

通常连梁根据跨高比分为两类:1) 跨高比小于5的连梁;2) 跨高比不小于5的连梁。

先说第二类跨高比不小于5的连梁, 其受力状态与一般框架梁相似, 可直接按框架梁的要求设计并配置钢筋。

第一类跨高比小于5的连梁, 其竖向荷载引起的弯矩很小, 对配筋不起控制作用, 而水平荷载作用下, 剪力很大, 易出现剪切斜裂缝, 对于跨高比不大于2.5的连梁, 剪切作用更为显著。对于这类连梁, 其受剪截面控制条件、斜截面受剪承载力、配筋构造的要求均需满足规范对于连梁的特殊规定, 详见《高层建筑混凝土结构技术规程》中7.2.21~7.2.28条, 条文内容不在此列出, 需要特别注意以下几点:

1) 一端与剪力墙相连、另一端与框架柱相连的跨高比小于5的梁 (包括框剪结构中框架梁) 应按连梁计算。

2) 楼面主梁不宜支撑于连梁。因为连梁刚度较弱, 对支撑于其上的主梁难以有效约束, 自身抗扭刚度难以抵抗平面外弯矩;且连梁作为耗能构件, 在强震下会首先破坏, 将导致支撑的主梁也相应失效。如若实在难以避免, 应将主梁端部与连梁相接处设为铰接, 加大连梁的配筋及构造措施。

3) 一般在风荷载和地震作用下, 连梁的内力往往很大。在运用程序进行构件内力计算时需对连梁进行刚度折减, 但是在整体位移计算时一般不做折减, 针对计算指标不同, 可能需要二次计算。

4) 连梁超筋超限。在结构程序计算中总会出现连梁超筋显红的结果, 特别是在高抗震烈度区尤为突出, 这与连梁自身的工作机理有关, 其实质还是所受剪力较大, 超过抗剪承载力, 不满足剪压比要求。连梁的易超筋部位是有一定规律的, 竖向位于总高度中间1/3的楼层、平面位于长墙肢的中部或墙肢长度相差悬殊的部位容易出现连梁超筋。超筋可以采用如下方法处理:a.减小连梁截面高度, 实质是减小其抗弯刚度, 使水平荷载作用下承担的弯矩和剪力降低, 即将受力减小或是将破坏形态从剪切破坏变为弯曲破坏, 采用双连梁、多连梁的布置 (《建筑抗震设计规范》第6.4.7条) 原理也是如此。但由于截面减小的同时也降低了连梁自身的抗剪承载力, 有时反而使结果更为不利, 此种情况可以在不影响使用功能的基础上加大梁宽。b.对连梁刚度进行塑性调幅。调幅分为内力计算前调幅和内力计算后调幅。若内力计算前已降低了连梁刚度, 其弯矩值就不宜再调幅。框架—剪力墙、纯剪结构的连梁刚度调幅后的弯矩不小于调幅前的0.8倍 (6度~7度) 和0.5倍 (8度~9度) , 因风载经常作用, 计算风荷载时不应折减, 以使梁保持弹性状态不出现塑性铰。折减后其余部位的连梁和墙肢应相应提高弯矩设计值。此时对于框架—剪力墙中两端分别与柱和墙连接的连梁以及跨高比大于5的连梁建议不要刚度折减, 因为这部分梁以重力效应为主要控制因素。c.按独立墙肢进行结构内力分析。当连梁遭受破坏后, 竖向荷载仍可以继续通过其他路径传递时, 我们可以在大震作用下认为连梁退出工作, 剪力墙成为独立墙肢, 在这种条件下再次进行多遇地震的结构内力分析, 墙肢按前后两次 (即考虑连梁作用和不考虑连梁作用) 计算内力的大值进行配筋。此种方法是假定连梁在大震时遭到破坏不能提供对墙肢的约束而单独依靠墙肢自身工作, 具体操作时可将连梁支座设为铰接, 此时剪力墙成为抗震第二道防线, 其刚度降低, 所以在第二次独立墙肢计算时可以不对侧移限制, 但墙肢内力和配筋会加大以保证安全性。

5) 改变连梁的配筋方式, 即采用“集中对角斜筋”“交叉斜筋”“对角暗撑配筋”等方式, 可以提高连梁的延性, 同时不降低或有限度的折减连梁刚度 (降低连梁相对作用剪力) 。人为大幅度的折减连梁刚度以减少其所受到的地震剪力的做法, 会导致连梁在地震作用下过早屈服, 从而对延性的要求提高, 且无法避免发生延性不足导致的剪切破坏, 改变配筋方式可以很好的解决这一问题, 其具体要求可参见《混凝土结构设计规范》第11.7.9~11.7.11条。

3 结语

通过上述内容的粗浅讨论, 我们可以对剪力墙中的连梁这一重要的抗震耗能构件有了一定的认识并掌握了大致的设计方法, 但在具体设计计算的操作中, 我们还是需要依靠自身的经验对其不断调整截面、配筋等, 以让连梁既能先于墙肢屈服成为很好的耗能构件, 又要具有很高的延性不至于发生脆性破坏而导致剪力墙肢失去约束。我们只有从实际工程的设计操作中不断体会, 积累经验, 提高水平才能使类似细节设计不断优化, 提升安全性。

摘要：通过分析连梁的工作机理和破坏方式, 了解了其性能特点, 根据“强肢弱梁”“强剪弱弯”的原则, 探讨了连梁的设计方法, 并针对高层建筑连梁设计中常见的难点提出了处理建议, 为连梁这一剪力墙体系中重要耗能构件的研究提供了依据。

关键词：连梁,剪力墙,刚度,延性

参考文献

[1]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社, 2011.

[2]龚思礼.建筑抗震设计手册[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社, 2002.

[3]GB 50011—2010, 建筑抗震设计规范[S].

浅析高层剪力墙连梁抗震设计 篇5

高层建筑物的连梁 (剪力墙) 在水平方向的作用力下产生的破坏有两类, 分别是脆性和延性破坏。当连梁产生了脆性破坏的时候便失去了承载力, 在沿墙全部连梁产生脆性破坏的时候, 各墙肢就失去了连梁所起到的约束作用, 于是变成了独立墙。从而极大的降低了墙体的侧向刚度, 加剧变形, 墙肢弯矩加大, 而且P-Δ效应 (因为水平位移而造成的附加弯矩) 不断增强, 容易造成墙体出现倒塌。当连梁出现延性破坏的时候, 使得梁端有垂直裂缝产生, 受拉区有微裂缝产生, 在地震力的冲击下会产生交叉裂缝, 并且产生塑性铰, 造成结构的刚度下降, 增加了变形, 吸收的地震能量非常多, 并且利用塑性铰使得剪力和弯矩获得持续传递, 从而使墙肢获得了相应的约束作用, 使得剪力墙能够保持所需的强度和刚度。其中, 连梁发挥了一定的耗能效果, 对于降低墙肢的内力, 缓解墙肢的屈服极为关键。然而在地震力的持续作用下, 连梁出现的裂缝将进一步发展、扩大, 直至砼受压损坏。由此可见, 高层建筑剪力墙连梁的抗震设计对于建筑物整体抗震性能具有重要意义。

1 连梁抗震设计

对于开洞混凝土剪力墙自身的抗震性能产生较大影响的是连梁的强度、刚度以及延性。最佳状态是连梁比墙肢更早屈服, 并且连梁的延性非常强, 等到墙肢底部产生塑性铰, 数个连梁的端部产生塑性铰, 这部分塑性铰能够将地震的能量吸收;还可以让弯矩和剪力持续传递, 对墙肢产生的约束弯矩使得剪力墙能够维持相应的承载力以及刚度, 而且墙肢底部塑性铰区同样具备延性, 此类连梁的剪力墙具备很好的延性。按照抗震设计的有关规范要求, 建筑物在遭到比本地防震烈度更低的常见地震影响的时候, 通常不会破坏建筑物或者无需修复仍然可以正常使用;建筑物在遭到比本地防震烈度更高的非常少见地震影响的时候, 建筑物并未倒塌或者产生威胁生命的重大损坏。所以剪力墙的设计应当确保不出现剪切破坏。根据强墙弱梁的设计原则对剪力墙的结构进行设计, 根据强剪弱弯的设计原则对连梁与墙肢进行设计, 这种结构与悬臂墙相比较其延性更好, 更加科学。若连梁比较强而构成整体墙, 应当注意加强和悬臂墙接近的塑性铰区的设计。若连梁存在非常大的跨高容易产生剪切破坏, 则应当根据多道设防的设计原则, 设计一些独立墙肢从而能够有效抵抗地震力的冲击。

2 连梁抗震设计的有效技术措施

2.1 剪力墙结构中有关连梁刚度系数折减的问题

对连梁刚度系数实施折减, 是由于在水平方向受到作用力的情况下, 连梁快速达到弹塑性期并且产生裂缝, 刚度减弱, 重新分布内力。一旦连梁出现屈服并且产生塑性铰的时候, 将有一部分弯矩被传递到墙肢上。而梁的内力与刚度并未进入弹性期。在地震力冲击下连梁产生的裂缝以及塑性变形与风荷载作用力相比更大, 刚度快速下降。然而, 刚度折减越多, 其折减系数也就越小, 表明设计荷载效应下裂缝变得越大。一旦出现超载, 如出现强烈的台风或者高出常遇抗震烈度的地震的时候, 出现塑性铰的时间就提前, 对于连梁的延性要求更高。在竖向荷载效应下, 当梁端产生塑性铰的时候, 它无法将内力传递到墙肢上, 仅仅在该连梁内部重新分布内力。所以, 在竖向荷载效应下, 不应该对连梁的刚度折减系数进行考虑。总之, 对内力与位移进行计算时, 需要对竖向与水平荷载效应下两种情形区别对待。在竖向荷载效应下, 不需要折减连梁的刚度系数, 利用支座弯矩调整的幅度来降低连梁支座的弯矩。在水平荷载效应下, 可以折减连梁的刚度系数, 比如, 当出现风荷载效应时折减系数应当大于等于0.8, 当有地震作用力时折减系数应当大于等于0.55。以上建议对于两端和剪力墙联接的连梁较为适宜, 而针对墙一端和柱联接的连梁却未必适宜。

处于框架柱与剪力墙两者之间的梁, 发挥了两种作用:其一是发挥了连梁的效果, 其二是发挥了架梁的效果。若连梁出现屈服产生塑性铰, 将弯矩传递到框架与墙肢的时候, 通常情形下墙肢的强度完全可以承受所增加的弯矩。但是针对刚度比墙肢小得多的柱, 仅能承受的非常有限的附加弯矩。所以, 其刚度的折减系数不宜过小, 通常应当大于等于0.8。

2.2 增加连梁的跨度降低高度

在设计连梁中, 刚度系数折减之后连梁的正截面仍然有可能出现受弯承载力或者斜截面产生受剪承载力不足的情形, 此时应当增加洞口的宽度, 以使得连梁的刚度减少。结构的整体刚度有所下降, 缓解了地震力的影响, 从而连梁的承载力不会超限。若只有小部分的连梁出现超限或者超筋, 就可以采取对连梁的内力进行调整加以解决。所调整的幅度应当小于等于20%, 并且连梁务必符合强剪弱弯的规定。

2.3 增加剪力墙的厚度

由于连梁的高度与跨度之比通常而言较小, 当连梁抗弯达到极限承载能力并且出现塑性铰以前, 连梁需要承受非常大的剪应力从超出其极限受剪承载能力。而且连梁斜的截面受剪承载力仅与材料的强度以及连梁的宽度相关。因此, 如果连梁斜截面的受剪承载力不足的时候, 可以增加剪力墙的厚度, 也就是使得连梁的截面宽度有所增加, 使结构的整体刚度得到提高。增加墙厚之后, 地震造成的内力不是按照增加的墙厚的百分比分配剪力墙, 而是比该比例更小, 所以使得连梁的受剪承载力并没有超限。

2.4 调整连梁的内力

通过连梁弯矩和剪力实施塑性调幅, 以使得剪力设计值下降。对于塑性调幅可以采取两种方式:其一, 在计算内力以前实施连梁刚度的折减;其二, 在计算内力以后让连梁弯矩以及剪力的组合值乘上折减系数。然而在计算结构中已经对连梁实施了刚度折减的连梁, 应当对调幅范围加以限制或者不再调整。如果一部分连梁的弯矩设计值降低之后, 应当适当提高其它部位的连梁与墙肢的弯矩设计值。不管采取哪种方式, 调整连梁之后的弯矩以及剪力设计值不能比使用状况的值更低, 也不应比抗震烈度低一度的弯矩设计值更小, 以免在常规状况下或者比较小的地震力冲击下连梁产生裂缝。

2.5 增加连梁延性的措施

各类地震灾害说明, 要想使得建筑物能够经受比较大的水平方向作用力的冲击, 连梁的延性发挥了非常大的作用。所以, 在设计当中不仅要确保连梁在计算内力时满足要求, 并且构造措施也非常关键, 只有合理的构造才能确保计算受力的进行。为确保连梁的延性满足要求, 必须在连梁内部设计交叉配筋。

3 结束语

设计高层建筑物剪力墙的连梁受到诸多因素的影响。连梁的内力以及剪力墙的数量、每一片剪力墙所承受的水平力、连梁自身的刚度、与其联接的墙肢自身刚度等均有关系。所以在设计的时候, 应当综合考虑, 将相互影响的因素进行综合协调, 以获得最佳结果。

参考文献

[1]杨宇.高层住宅剪力墙结构抗震设计要点[J].建筑设计管理, 2010, (03)

高层建筑连梁设计 篇6

高层建筑联肢墙在水平力作用下的破坏分为脆性破坏 (即剪切破坏) 和延性破坏 (即弯曲破坏) 两种。联肢墙的脆性破坏又可分为两种情况。一种是脆性破坏发生于墙肢。墙肢由于抗剪能力不够而发生剪切破坏, 会使剪力墙很快丧失承载能力。造成结构的突然倒塌。这是设计所应该绝对避免的。抗震规范里规定了抗震墙截面的剪压比限值和抗震等级为一、二级时抗震墙底部加强部位剪力设计值的放大系数, 就是为了防止剪力墙早于弯曲破坏而发生剪切破坏。脆性破坏的第二种情况是连梁发生剪切破坏。连梁发生剪切破坏会使联肢墙各墙肢丧失连梁对墙肢的约束作用。在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时, 联肢墙的各墙肢将成为单片的独立墙, 这会使结构的侧向刚度大大降低, 墙肢弯矩j加大。抗震规范里规定了连梁截面的剪压比限值和抗震等级为一、二级时连梁端部剪力设计值的调整系数, 也是为了防止连梁早于弯曲破坏发生剪切破坏。但是, 和第一种墙肢发生剪切破坏相比, 连梁发生剪切破坏时结构尚未丧失承载能力, 在墙肢破坏前, 只要所考虑的连梁不承担较大的竖向荷载, 还不会造成结构的倒塌。

剪力墙的延性破坏也可分为两种情况。一种是连梁不屈服, 墙肢首先发生弯曲破坏, 这种墙在破坏时的极限变形较小。因此, 对有抗震设防要求的建筑来说, 它虽然是一种延性破坏, 但吸收地震能量的能力是较低的。设计中应避免这种情况的发生。延性破坏的第二种是连梁先屈服, 最后是墙肢的屈服。当连梁有足够的延性时, 它能通过塑性铰的变形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, 使联肢墙保持足够的刚度和强度。这是设计时应首先考虑做到的。为了保证联肢墙的延性要求, 对连梁的延性要求是非常高的。因此, 在设计高层建筑剪力墙时, 必须十分注意保证连梁的延性要求。

以上主要从抗震的角度分析了联肢墙的破坏机制。对于非抗震的情况, 水平作用力主要是风荷载。风荷载是一种实实在在的荷载, 不能通过结构的塑性变形来减少风荷载。但可以通过结构的塑性变形将荷载分布到其他尚未屈服的构件。通过内力重分布提高结构的整体承载能力, 避免由于个别构件的破坏造成整个结构丧失承载能力。因此, 以上关于联肢墙破坏机制的讨论在非抗震设计中是同样有意义的。

2 剪力墙设计的建议

在墙肢和连梁的协同工作中, 剪力墙应该具有足够的刚度和强度。在正常的使用荷载和风荷载作用下, 结构应该处于弹性工作状态, 连梁不应该产生塑性铰。在地震作用下, 结构允许进入弹塑性状态, 连梁可以产生塑性铰。根据抗震设计规范总则的要求, 建筑物在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时, 一般不损坏或不需修复仍可使用, 当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震时, 不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。因此, 剪力墙的设计应该保证不发生剪切破坏, 也就是要求墙肢和连梁的设计符合强剪弱弯的原则, 同时要求连梁的屈服要早于墙肢的屈服, 而且要求墙肢和连梁具有良好的延性。因此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:

2.1 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417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055。”一般在实际设计中我们在055~1之间取值, 以符合截面设计的要求。

2.2 加连梁跨度减少高度。

在连梁设计中, 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20%, 且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。

2.3 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, 因此有可能使连梁的受剪承载力不超限。

2.4 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。

2.5 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。

3 剪力墙结构的厚度和配筋问题

3.1 根据抗震规范6.

1.2条规定, 8度地震区剪力墙结构的抗震等级至少应为二级;按6.4.1条要求剪力墙底部加强部位墙厚一、二级抗震等级时不宜小于200mm, 且不小于层高的1/16, 其他部位不小于160mm, 当墙端头无翼墙或暗柱时不应小于层高的1/12。以上规定目的是为防止因墙体平面外刚度过小, 稳定性差, 容易在偏心荷载作用下压屈失稳, 但这些规定对于八度地震区的多层及低高层剪力墙结构显得不够合理。例如5~15层的剪力墙结构, 一般墙肢在重力荷载代表值作用下轴压比都小于0.2, 电算结果墙体往往只需要构造配筋, 但只因底部功能要求3.9m层高, 墙厚就得240mm, 若业主要求室内视野开阔, 不设外纵墙, 横墙朝外端头不允许带翼墙或端柱时, 当层高3>5~4.2m时, 则墙厚需要320~350mm, 显然不合理。所以像这样的特殊情况的低多层建筑不应要求死扣规范, 而通过采用概念设计分析, 控制墙肢轴压比, 进行墙体截面条件、强度和稳定性验算并在构造上适当加强暗柱或配筋, 保证其整体性连接等措施, 是可以使墙厚减小的。

3.2 墙体的配筋率, 目前在“砼规”11.

7.11条文强制规定在一、二、三级抗震等级的剪力墙中, 竖向和水平分布筋的最小配筋率均不应小于0.25%;部分框支剪力墙底部加强部位的配筋率不应小于0.3%;这配筋率比其在20世纪80年代前的配筋率) 。0.7%~0.1%要大多了, 和国外的配筋率0.1%~0.25%的高者基本接轨, 这在高层或者较长的剪力墙结构中应该是合理的, 但对于低矮、短小的剪力墙值得探讨。

墙的水平分布筋是为横向抗剪以防止墙体在斜裂缝出现后发生脆性剪切破坏, 同时起到抵抗温度应力防止砼出现裂缝, 设计中当建筑物较高较长或框剪结构时配筋宜适当增加, 特别在连梁部位或温度、刚度变化等敏感部位宜适当增加。但对于矮、短的房屋, 其水平筋的配筋率是否适当减小值得探讨。

墙的竖向钢筋主要起抗弯作用, 目前在一些多层低高层剪力墙中电算结果多为构造配筋;但配筋时所取的配筋率有人往往扣除了约束边缘构件或构造边缘构件中的钢筋, 竖向最小配筋率应该包括边缘构件中的钢筋, 墙肢的竖向配筋原则也应该尽量将钢筋布置在墙端部边缘区并保证钢筋间距!300mm, 也应该注意防止竖筋过多使墙的抗弯强度大于抗剪强度, 对抗震不利。

此外, 按照高规的的规定, 在计算竖向荷载作用下的内力时, 对已经考虑了调幅的连梁, 不应再考虑刚度折减。

高层建筑连梁设计 篇7

但是, 在日常实际工程的结构设计中, 由于住宅在使用功能、体型布置上的限制, 导致剪力墙布置往往不能按结构设计师所设想的理想方案去实现, 结构构件的尺寸也经常出现比例不合理的状况, 如出现了大量的短肢剪力墙, 连梁的跨高比较小等等。通常设计师在将总信息等参数控制合理的同时, 往往出现了连梁承载力无法满足的情况, 为此, 本人就连梁抗震设计中的一些问题做一个探讨, 由于本人工作年限有限, 经验不足, 难免出现一些错误, 也望广大读者及时指正。

首先, 讨论一下剪力墙结构在水平地震力作用下的破坏机制, 一般钢筋混凝土的破坏形式可以分为两种, 即脆性破坏和延性破坏。而我们在进行无论何种形式的结构设计中, 首先应该绝对避免的情况就是脆性破坏。一旦剪力墙发生了脆性破坏, 剪力墙的承载能力就会迅速地失去, 严重的甚至会造成整体结构的突然坍塌。

因此为避免剪力墙的脆性破坏, 地震来临时连梁的破坏给整个剪力墙结构带来的影响及意义是值得研究与探讨的。连梁的脆性破坏一旦发生, 就会使其失去对墙肢的约束作用。当破坏严重到一定程度时, 连梁两端的连肢剪力墙可几乎变为两片独立的剪力墙。当这种情况发生时, 会大大降低结构的侧向刚度, 增大了墙肢的弯矩。但是, 连梁发生的脆性破坏并不是致命的, 与一旦剪力墙发生脆性破坏有可能造成整体结构坍塌相比, 只要连梁承担的竖向荷载合理, 作为耗能构件, 从某种意义上来说, 当地震来临时, 若连梁发生破坏能在某种程度上减弱或者避免墙肢的脆性破坏, 对整栋建筑结构的安全是有益的。

如果剪力墙不可避免的受到破坏, 那我们应该尽量使破坏变为延性破坏。延性破坏大致会出现两种情况, 一种是剪力墙先于连梁发生弯曲破坏, 这种情况下剪力墙在破坏时的变形较小。因此, 对有抗震设防的建筑物来说, 它虽然是一种延性破坏, 但其抗震能力较弱, 无法真正成为一道抗震防线。因此设计中应尽量避免此种情况的发生。

另外一种延性破坏的情况是连梁先于墙肢屈服。如果连梁拥有一定的延性时, 当地震发生时, 塑性铰的变形就可以帮助连梁吸收一定的地震力。同时, 弯矩和剪力也能通过塑性铰来传递, 连梁对剪力墙的约束作用就得到了大大的加强, 剪力墙刚度也得到了一定的保证。这是我们在设计时应首先考虑到的。所以在设计高层剪力墙结构时, 必须十分注意如何提高连梁的延性。

从前面的理论分析表明, 总体来说, 连梁先于剪力墙发生破坏要好于剪力墙率先发生破坏, 当然这只是一种理想状态或是一种设计指导方向, 这种理论想法在实际的地震案例中并不多见。经过资料查询, 大多数经历大震的剪力墙结构, 连梁和剪力墙往往是同时发生破坏, 因此在剪力墙结构的设计过程中, 不但要使连梁在承载力计算中满足规范要求外, 同时在构造措施方面也要采取一定的措施, 合理的构造也是合理的计算受力的必要条件之一, 总结为以下两点:

1) 连梁内配置交叉斜筋能够增加连梁的延性。斜筋的面积根据竖向剪力设计值引起的斜向拉力计算确定;

2) 采用新型材料混凝土, 目前市场上出现了不少先进的混凝土材料, 也能加大混凝土构件的延性, 提高建筑的韧性, 比如钢纤维混凝土等等。

在设计连梁时, 由于地震力的作用, 往往会使连梁产生较大的内力, 如何降低连梁的内力, 也是我们在设计中应着重考虑的问题。

在使用PKPM结构设计软件进行结构设计时, 发现该软件在SATWE的总信息菜单中增加了“墙梁跨中节点作为刚性楼板从节点”这一选项。水平荷载作用下的梁端剪力由于受到刚性楼板的约束, 一般会比不受刚性楼板约束时大。由于楼板可以视作连梁的翼缘, 钢筋混凝土楼板对连梁的刚度无疑会起到一定的增大作用, 并且刚度增大的程度会随连梁截面形式的改变有较大的差别和变化。若计算楼板的翼缘作用, 连梁的刚度无疑会增大, 这必然会使结构整体地震作用加剧, 连梁也会吸收更多的地震力, 而连梁刚度的增大也违反了“强墙肢弱连梁” (强剪弱弯) 这一设计准则, 那么如何合理的调整连梁的刚度也就成了连梁设计中必须要解决的问题。

由高规5.2.1可知“高层建筑结构地震作用效应计算时, 可对剪力墙连梁刚度予以折减, 折减系数不宜小于0.5”, 而此要求在如今的PKPM软件程序亦可实现:根据连梁刚度折减系数的不同, 分别对结构进行计算, 一些资料的建议如下, 值得借鉴:

1) 取连梁刚度不折减, 对地震荷载、风荷载、恒活等荷载一起作用进行一次计算分析;

2) 取连梁刚度折减, 填入适当的折减系数, 先计算地震 (包括竖向地震) , 然后计算其他荷载;

对两者计算结构进行对比分析, 可按较不利的情况进行设计。

连梁由于跨高比小而与其相连的剪力墙刚度非常大, 在水平地震力的作用下, 混凝土可能会产生裂缝甚至出现大面积的开裂, 从而引起整体刚度的降低, 因此对连梁的刚度进行折减是非常有必要的, 也是完全符合实际情况的。但是, 连梁刚度并不能无止境的折减下去, 折减得越多, 就意味着地震荷载作用下产生的开裂程度越大。在超载时, 如发生强烈地震时, 塑性铰就会过早出现。这就凸显了加强连梁延性设计的重要性, 也证明了“强剪弱弯”的要求对于连梁的设计依然非常重要。

此外, 高规5.2.3还规定了“在竖向荷载作用下, 可以考虑梁端塑性变形内力重分布对梁端负弯矩乘以调幅系数进行调幅”。因此, 若已经考虑了连梁的调幅, 那么在计算连梁竖向荷载作用下的内力时, 应不考虑连梁刚度的折减。

虽然我们在设计时通过连梁刚度折减系数这一方法来减小连梁的刚度, 但在实际设计时, 几乎很难使所有的连梁均满足受剪承载力的要求。设计人员在进行反复设计调试后, 个别连梁相当大的概率仍然会出现超筋的情况。盲目的按最大配筋率进行配筋, 认为墙肢会承担掉剩余的内力, 这种做法是不可取的。因为这样可能导致连梁无法形成塑性铰, 从而失去承载能力, 使剪力墙发生剪切破坏, 这在前文中已经提到, 是应该避免的。

在一系列调试之后, 若连梁仍发生受弯承载力或受剪承载力不足的情况, 应根据不同情况进行不同的设计调整:比如若结构本身位移比远远小于规范规定的限值, 说明结构自身刚度足够, 但是超筋的连梁数量却相对较多, 此时可适当减小连梁的刚度, 比如加大连梁跨度, 减小连梁截面尺寸, 适当减少连梁两端剪力墙的刚度等, 从而可适当减少结构的整体刚度, 使连梁周边的剪力墙相对吸收较小的地震力, 从而使连梁的承载力满足要求。如果只是小部分连梁超筋, 在不影响建筑门洞或者窗洞的尺寸的前提下, 增加连梁截面往往会达到理想的效果。而本人在工程设计中的总结建议是:一栋7度及以上设防的高层剪力墙结构, 特别是体型不是非常规则的情况下, 若要使所有的连梁完全实现满足承载力的要求是比较困难的, 若能保证90%以上的连梁满足要求同时控制住其他的总体设计信息及参数, 该楼的结构设计目的基本可以达到。

当然对于连梁的设计, 设置双连梁或者深连梁也可能会产生较好的效果, 现在普遍的认为是使用双连梁是较为先进的方法, 效果会明显好于深连梁, 经过对一些文献的参考和查找, 发现了一些典型的实例, 比如:在汶川地震中, 大量房屋倒塌, 其中彭州市设防烈度和实际烈度均为7度, 其一幢剪力墙结构高层建筑的深连梁产生了较为严重剪切破坏, 而位于实际烈度为6度~7度的成都市和实际烈度为6度的西安市的两幢采用双连梁的框架—剪力墙结构却起到了良好的抗震效果。从这个经典的案例可以表明:由于双连梁在跨高比等上的优势, 其抗震性能应明显优于深连梁。由于本人的工作经验不足, 并未真正深入接触过使用双连梁的结构体型, 所以对于双连梁的使用及受力形式和方法, 认识有限, 本文就不再进行深入的探讨。当然现在有多种新型材料的连梁及配筋方案已经运用到了实际的工程中, 这也将会成为今后设计和学习的一个重点。

虽然对于连梁的设计可能是复杂的, 但设计时调整的方法也是很多的, 合理的结构布置, 合理的刚度分配, 合理的构造及配筋措施等等都是我们攻克难关的手段。作为一位合格的结构设计师, 设计的最终目的就是要把这些互相制约的因素统一协调, 运用多种方法将问题解决, 以达到一个相对完美的结果。

参考文献

[1]JGJ 3-2002, 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]GB 50010-2002, 混凝土结构设计规范[S].

[3]GB 50011-2001, 建筑抗震设计规范[S].

[4]张晓刚, 路福.浅析高层建筑结构中的连梁设计[J].赤峰学院学报 (自然科学版) , 2010, 26 (2) :178-179.

[5]容柏生.高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构体系[J].广东建筑, 1996 (3) :26-27.

[6]龚炳年, 方鄂华.反复荷载下联肢剪力墙结构连系梁的性能[J].建筑结构学报, 1988 (1) :34-40.

高层建筑连梁设计 篇8

在风荷载和地震荷载作用下, 墙肢产生弯曲变形, 使连梁产生转角, 从而使连梁产生内力。同时连梁端部的弯矩、剪力和轴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作用, 改善了墙肢的受力状态。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) 。连梁在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P—Δ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。

二、浅谈设计的建议

在墙肢和连梁的协同工作中, 剪力墙应该具有足够的刚度和强度。在正常的使用荷载和风荷载作用下, 结构应该处于弹性工作状态, 连梁不应该产生塑性铰。在地震作用下, 结构允许进入弹塑性状态, 连梁可以产生塑性铰。根据抗震设计规范总则的要求, 建筑物在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时, 一般不损坏或不需修复仍可使用, 当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震时, 不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。因此, 剪力墙的设计应该保证不发生剪切破坏, 也就是要求墙肢和连梁的设计符合强剪弱弯的原则, 同时要求连梁的屈服要早于墙肢的屈服, 而且要求墙肢和连梁具有良好的延性。

因此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:

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417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.

2加连梁跨度减少高度。在连梁设计中, 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20%, 且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。

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, 因此有可能使连梁的受剪承载力不超限。

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。

三、浅谈连梁的配筋计算

根据《钢筋混凝土高层建筑结构设计和施工规程》, 在连梁设计方面, 对于连梁非抗震设计, 抗震设计时跨高比大于25及小于25两种情况, 在截面受剪承载力及配筋方面均有不同规定。

在结构计算时这类连梁往往发生受剪承载力的超限, 这时可以将受力筋均匀布置, 同时考虑到连梁以承载水平荷载为主, 支座弯矩主要由水平荷载引起, 在反复的水平荷载作用下支座截面上、下受拉筋面积相近, 可以采用截面对称配筋。在连梁配筋中, 配置平行筋往往导致斜向受拉破坏或由于箍筋过量而发生剪切滑移破坏, 这些破坏将导致连梁的滞回曲线变坏, 耗能能力下降。若采用菱形配筋方式, 可以克服这些不足之处。

四、结语