剪力墙双连梁设计

剪力墙双连梁设计（精选6篇）

剪力墙双连梁设计 篇1

1 引言

混凝土剪力墙开洞形成的跨高比小于5的梁为连梁[1]。结构中的连梁对水平力作用下反弯产生的剪切变形十分敏感,剪切脆性破坏严重;且连梁跨高比(剪跨比)越小,剪切破坏就越严重。因此,控制连梁的剪切破坏对改善连梁及整个结构的延性和耗能能力具有重要意义。诸多文献中提出双连梁的概念,即在高连梁中部设置水平缝或洞形成的上下两根连梁的形式;试验研究表明,双连梁可以有效解决水平力作用下高连梁剪切变形敏感、破坏严重的问题[2~4]。另外,需指出的是,与目前设计中普遍采用低连梁相比,双连梁在保证延性水平条件下不但可提高结构的抗侧刚度,还可解决计算中经常出现的连梁抗剪截面超限问题。

然而,在目前结构计算软件中,准确可靠的模拟双连梁的刚度和破坏性态尚有一定难度,实际设计中尚存在许多不确定因素;另外施工时支模、浇筑、工期长等问题,都制约了双连梁在工程中的应用。本文针对这些问题,结合工程实际进行探讨。

2 基于PKPM软件的双连梁设计方法

利用软件计算双连梁,关键是要准确计算双连梁的刚度。目前,普遍使用的PKPM软件尚无法在洞口上方的墙体内设置结构缝形成双连梁,实际设计中多采用以下两种方法来解决这个问题:一是输入一根与实际双连梁刚度相等的等代梁来代替双连梁;二是在楼层梁下再输入一根层间梁形成双连梁,但这种方法的计算结果存在一定的偏差。这两种方法的一个共同特点是采用杆元来模拟双连梁。

第一种方法也可称为等刚度代换法,这里的“等刚度”是指墙段(或结构)的抗侧刚度相等,并非双连梁截面的抗弯刚度。方法难点是,如何合理的确定双连梁的刚度。文献[5]中采用单梁墙段和双连梁墙段在相同水平力作用下侧向位移相等的条件来间接反算确定,但是要准确计算并形成统一的代换数值或代换公式,就需要对各种不同开洞情况的墙段进行计算,这需要大量的试验、理论计算和有限元分析工作。因此,准确进行刚度代换是繁琐、困难的。

实际上,在设计时只可能存在两种情况:(1)如果计算模型中输入的"等代梁"刚度比真实连梁偏小,那么在结构总地震作用一定的情况下,该墙段在计算模型中分配到的地震剪力将小于实际地震时分担的剪力,而其它墙段分配到的剪力将大于实际分担的剪力;按此分配的剪力进行设计将导致该墙段的墙肢、连梁设计配筋偏于不安全,但结构中的其它墙段则均处于安全状态。(2)反之,如果计算模型中输入的“等代梁”刚度比真实连梁偏大,那么该墙段在计算模型中分配到的剪力将大于实际分担的剪力,这将导致该墙段的墙肢、连梁设计配筋偏安全,但结构中的其它墙段则均处于不安全状态。另外,等代梁的设计方法采用杆元模拟连梁,由于杆元相对墙元(或壳元)的刚度偏小,因此,按梁输入时比按墙洞输入时分得的地震剪力偏小,同于第一种情况。

从结构设计角度讲,地震设计本身是一种概念设计,过于强调计算的精确性反而降低设计的效率。此外,整体结构的安全要高于局部构件的安全,因此,作者建议目前计算条件下采用一种简化的双连梁设计方法:第一步,在结构模型中用1根B(=kb)×h(宽×高,k为梁刚度等代系数)的等代单梁来代替2根b×h的设缝双连梁,进行总体结构的分析计算,其中,等代单梁的刚度应略小于双连梁的刚度;第二步,提取单梁的计算结果,转换为双连梁的内力进行双连梁的设计;第三步,对该单梁相连墙肢的延性水平进行提高,并进行设计。

这里有两个关键问题:一是所输入的等代梁刚度的等代系数k的取值多少合理;二是等代梁转换为两根双连梁设计时,连梁和墙肢的内力放大、分配的比例多少合理。众所周知,1根截面为B(=kb)×h等代梁的截面抗弯刚度为,(E为材料弹性模量,L为杆件计算跨度,I为截面惯性矩,k为梁刚度等代系数),其值介于2根横向并排b×h梁的刚度和1根b×2h的高连梁刚度之间,即k∈(2~8)。根据前面的论述,对设计有实际意义的应该是K值的下限,若输入的k值偏小,设计不经济;k值偏大,有安全问题。通常情况下可取,设计算例表明,取此范围内值可有效解决梁抗剪截面超限问题,并或得较好的结构刚度。设计时,可通过结构墙体布置情况、墙肢和连梁的相对刚度并结合经验选择k的具体数值。当连梁刚度相对墙肢刚度较小时(可通过各自分担的倾覆弯矩比值、连梁剪跨比、墙段开动率粗略确定),如连梁跨高比不小于5时,连梁的刚度贡献较小,k宜取小值;当连梁刚度相对墙肢刚度较大时,连梁的刚度贡献较大,k宜取大值。

第二步的计算可参照文献和高规的方法进行,但实际计算中仍需注意两个问题:

第一,用于单根连梁计算的内力应经过放大、分配、组合、调整后方可用于配筋计算,并进行单根连梁的剪压破坏复核,而不能直接采用软件的配筋结果。具体操作过程:(1)首先在分析结果中“各荷载工况下构件调整前标准内力简图”中读取相应位置处连梁在恒载、活载、相应方向地震、风载作用下的两端弯矩M左、M右和梁端剪力V左、V右;(2)由于输入的等代梁的刚度偏小,配筋设计时对相应方向地震计算得到的内力应考虑放大,放大系数与k取值的偏小有关,考虑安全因素,可取放大系数1.3;(3)放大后的地震内力平均分给两根梁,然后与其他荷载下的内力按高规5.6.1、5.6.3进行内力组合。考虑荷载质量的问题,上面的连梁可多分一点,但通过放大系数法后,这一点不在考虑;(4)对组合后的内力按高规7.2.21进行“强剪弱弯”的抗震延性调整;(5)进行截面抗剪复核,若复核不满足,此处应用双连梁失效,应对结构整体进行调整。对此部分内容可编制成excel计算表,避免大量重复计算,提高设计效率。

第二,对与连梁相连墙肢的配筋应结合其轴压比按照提高延性的要求对暗柱纵筋和箍筋适当加强。

3 双连梁施工中的问题及改进

通常情况下,双连梁现场施工时需要分两次浇筑,施工难度大、工期长、且浇筑质量不易保证。文献[6]中提出了采用一种“预制、现浇混合式双连梁”的施工方法,其类似于一种叠合梁的施工方法,即在施工时,将双连梁中下面的那根连梁事先预制,上面的那根梁和墙肢、楼板整体现浇。但预制梁下须做支撑,并且预制连梁纵筋需甩筋,满足锚固长度不小于600mm,以及现场新旧混凝土接缝及预制连梁放置需采取一定措施等,均给施工带来一定不便。

针对以上情况,本文采用一种复合开洞模板,可使浇筑一次成形,无施工缝,并满足结构整体性能和受力要求。模板示意如图1~图3所示。模板由配筋水泥砂浆刚性层和一定柔性系数的PVC聚乙烯泡沫弹性层组成,刚性层作为上层梁浇筑的模板,弹性层可保证水平荷载作用下两根梁分别抵抗水平荷载。为防止泡沫飞溅,并使混凝土在模板表面具有良好的流动性,模板外及开洞处采用表面光滑的胶带按一定要求包裹。模板中留设的洞采用长方形,其断面为下大上小的梯形,以便于混凝土的下灌和振捣。经现场试验,孔中距控制在下方梁高的1/2,边距控制在200mm时,可获得良好的质量保证和经济性。

施工时尚需注意:(1)应设置可靠支撑,并设置拉锚件将本模板固定于墙体木模板上,混凝土浇筑振捣过程中采取措施保证模板的稳固;模板固定点应为于距模板边1/4跨度处。(2)施工后模板可不拆除,后期装修时采取措施保证饰面的稳定。

4 结论

双连梁对于改善结构的延性,提高结构的刚度具有积极意义,但由于计算机技术和施工繁琐困难等问题制约了其在工程中的应用。通过本文的探讨,可得到如下结论:

1)在PKPM软件中输入一个刚度偏小的连梁,并对设计结果中采取一些调整措施可保证双连梁及整体结构设计的安全性,并结合EXCEL计算表格可快速高效的进行双连梁的设计。

2)采用合理设计的复合留洞模板可保证双连梁实际受力与理论和计算条件相符,复合留洞模板将促进设计和施工中大量的使用双连梁,为提高结构延性,降低材料用量起到有益作用,产生一定的社会经济效益。

参考文献

[1]JGJ3—2010高层混凝土结构设计规范[S].

[2]李奎明,孙春毅,李杰.高性能混凝土双连梁短肢剪力墙试验研究[J].地震工程与工程振动,2006,26(3):121-123.

[3]谷倩,朱飞强.双连梁与深连梁剪力墙结构抗震性能对比分析[J].土木工程学报,2010,43(增刊):211-216.

[4]胥玉祥,朱玉华,赵昕,李学平.双连梁受力性能研究[J].结构工程师,2010,26(3):31-37.

[5]朱炳寅.对“双连梁”的认识与设计建议[J].建筑结构技术通讯,2008(11):12-13.

[6]冯刚,侯献语.浅析双连梁的设计与施工[J].管理学家,2011(5):247.

关于剪力墙连梁设计的探讨 篇2

在风荷载和地震荷载作用下,建筑物的侧移使墙肢产生弯曲变形,墙肢与连梁间产生转角,连梁产生内力。剪力墙中的连梁在水平荷载作用下的破坏分为两种,即脆性破坏(剪切破坏)和延性破坏(弯曲破坏)。

当连梁跨高比较大时,连梁以受弯为主,可能出现弯曲破坏。多数情况下,剪力墙中的连梁是跨高比较小的高梁,除了梁端容易出现垂直的弯曲裂缝外,梁中部还容易出现斜裂缝。当抗剪钢筋不足或剪应力过大时,就出现剪应力破坏。

由剪力墙内力分析可知,内力最大的连梁不在底层,当各层连梁尺寸及配筋都相同时,最早出现弯曲裂缝及斜裂缝的连梁在中部某层,随后上下各层连梁才依次开裂。

当连梁刚度及强度较大时,可能形成小开口整体墙,其表现与整体悬臂墙接近。除了连梁端部仍有可能有竖向或斜向裂缝外,主要是在墙底部出现塑性铰或发生剪切破坏。

2 连梁的影响及抗震概念设计

连梁的刚度、强度和延性对开洞剪力墙的抗震性能有很大的影响。最理想的情况是连梁先于墙肢屈服，且连梁具有足够的延性，待墙肢底部出现塑性铰，多个连梁端部出现塑性铰，这些塑性铰可以吸收地震能量，又能继续传递弯矩与剪力，对墙肢形成的约束弯矩使剪力墙保持足够的刚度和承载力，墙肢底部的塑性铰亦具有延性，具有这种连梁的剪力墙延性最好。

当连梁的刚度和抗弯承载力较高时，连梁可能不屈服，首先在墙底出现塑性铰，形成底部单铰机构，墙肢只要不过早的发生剪切破坏，这种破坏仍然属于有延性的弯曲破坏，但是与前者相比，耗能集中在底部一个铰上。这种静定结构的破坏机构不如超静定结构的多铰机构抗震性能好。

当连梁首先剪切破坏时，会使墙肢失去约束而形成单独墙肢。与连梁不发生破坏的墙相比，墙肢中轴力减少，弯矩加大，墙的侧向刚度大大降低。但是，如果能保持墙肢处于良好工作状态，那么结构仍可继续承载，直到墙肢截面屈服形成机构。只要墙肢塑性铰具有延性，这种破坏也是具有延性的弯曲破坏。

由连梁过强引起的墙肢剪切破坏则是一种脆性破坏，几乎没有延性或延性很小。当连梁刚度和屈服弯矩较大时，在水平荷载下墙肢内的轴力很大，造成两个墙肢轴力相差悬殊，在受拉墙肢出现水平裂缝或屈服以后，塑性内力重分配的结果会使受压墙肢担负大部分剪力，造成该墙肢过早发生剪切破坏，延性减小。

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，可以按照“强墙弱梁”的原则设计整体剪力墙结构，按照“强剪弱弯”的原则设计墙肢和连梁，这样的结构形式比悬臂墙具有更好的延性，更为合理。如果连梁较强而形成整体墙，则需要注意与悬臂墙相类似的塑性铰区的加强设计。如果连梁跨高比较大而可能出现剪切破坏，则要按照“多道设防”的原则，考虑几个独立墙肢抵抗地震作用。

3 几种常用的连梁形式

连梁在水平荷载下与墙肢相互作用产生的约束弯矩与剪力较大，约束弯矩在梁两端方向相反，使梁产生很大的剪切变形，对剪应力十分敏感，容易出现斜裂缝。在反复荷载作用下易形成交叉裂缝，使混凝土酥裂，延性较差。目前采用延性较好的连梁有以下三种形式：

1)普通配箍梁。采用传统的梁配筋方式，即用纵向钢筋抗弯、竖向钢箍抗剪。这种梁设计、施工方便，应用普遍，但它的抗震性能稍差，只有在严格控制截面平均剪应力的条件下才可能有较好的延性。否则，即使做到抗弯钢筋先屈服，也常常是在钢筋屈服后不久连梁就剪坏，延性很小。

2)交叉配筋梁。在连梁中采用交叉配筋方式，可以大大改善连梁的延性。跨高比不大于2的内筒连梁可采用交叉配筋梁。在斜交叉配筋的梁中，剪力和弯矩的传递是通过斜筋的拉力和压力实现的；它对混凝土的依赖较少，只要斜筋不压屈、锚固不失效，它就可以继续承载，对墙肢仍然有约束作用。为了防止受压时钢筋压屈，需要将几根受压钢筋用钢箍固定，形成小柱。在连梁内还要按构造要求配置纵向及横向钢筋，形成网格状，以分散和减小混凝土中因斜筋受力出现的裂缝。采用斜交叉配筋时，墙厚不能太小，一般需大于300mm。

3)开缝连梁。为了加大连梁跨高比，又能较好的起到在墙肢间传递剪力和弯矩的作用，可以在连梁中间预留一道水平缝，形成开缝连梁。这种连梁由于跨高比加大，减少了剪切变形的影响，可以有效地防止斜拉剪切破坏，增加了延性。一般适用于框筒结构中的高窗裙梁。

4 连梁的抗震措施及计算内力调整

1）减少连梁高度。抗风结构中，连梁的刚度和承载力可以设计的大一些，以提高整体刚度，减少钢筋用量。在抗震结构中，不宜设置尺寸过大的连梁，避免吸引更多的剪力，以便满足名义剪应力限制，利于“强剪弱弯”的设计原则实现。加大连梁截面厚度也可以调高连梁的受剪承载力而并不产生更多的剪力，但是需要增加剪力墙厚度，一般很难实现。

2）连梁的内力调幅。将连梁弯矩与剪力进行塑性调幅，以降低剪力设计值。塑性调幅可采用两种方法，一是在内力计算前将连梁刚度进行折减，二是在内力计算之后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数。两种方法的效果都是减小连梁内力和配筋。但是在结构计算中已对连梁进行了刚度折减的连梁，其调幅范围应当限制或不再继续调整。当部分连梁降低弯矩设计值后，其余部位连梁和墙肢的弯矩设计值应相应提高。无论采用何种方法，连梁调整后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况的值，也不宜低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，以避免在正常使用条件下或较小的地震作用下连梁出现裂缝。一般情况下，调幅后的弯矩不小于调幅前的弯矩（完全弹性）的0.8倍（6度～7度）和0.5倍（8度～9度）。

3）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撑梁）时，可假定该连梁在大震作用下退出工作，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（为减少结构计算工作量可将连梁按两端铰接梁计算），墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋设计（一般情况下，连梁铰接处理后，墙的计算结果较大），以保证墙肢安全。

4）极限平衡方法调整连梁及墙肢内力。在弹性计算基础上经过调幅，设计配筋，确定连梁的极限承载力，把它们作为作用在墙肢上的已知约束弯矩和剪力，利用平衡条件，求出墙肢内力，再进行墙肢配筋计算。

实际设计时可通过调整连梁截面高度的方法来满足规定要求。即采用实际的截面进行第一次计算得到容许剪力，如果计算剪力V1超过容许剪力[V1]，则减小连梁截面，进行第二次计算，使计算剪力V2<[V1]，可按第二次计算内力配筋，实际施工图截面不变。但是剪力墙配筋需要取两次计算结果的较大值进行包络设计。

5 结语

剪力墙连梁的设计受很多因素的影响。连梁的内力与剪力墙数量的多少、每片剪力墙的水平力大小、连梁的高跨比、与之相连的墙肢刚度等都有关。因此在设计时，需要综合考虑，统一协调各种因素，以取得比较理想的结果。

摘要：在剪力墙和框架-剪力墙结构中,墙肢之间、墙肢与框架柱之间的连系梁称为连梁。分析了剪力墙结构连梁的工作原理和破坏形式,提出了连梁的概念设计方法和抗震措施。

关键词：连梁,剪切破坏,弯曲破坏,延性

参考文献

[1]JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]GB50011-2001建筑抗震设计规范[S].

浅析高层剪力墙连梁抗震设计 篇3

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)

小议剪力墙结构中的连梁设计 篇4

剪力墙结构中的连梁受到弯矩、剪力和轴力的共同作用, 在风荷载和地震力作用下 (主要是地震力作用) , 墙肢产生弯曲变形, 使连梁两端的弯矩方向相反, 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。如果连梁发生破坏, 即分为两种:延性破坏 (弯曲破坏) 和脆性破坏 (剪切破坏) 。延性破坏 (弯曲破坏) 是指连梁在发生破坏时, 梁端会出现垂直裂缝, 在地震作用下会出现交叉裂缝, 并形成塑性铰, 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, 斜裂缝会很快扩展到对角线上, 直至发生剪切破坏。脆性破坏 (剪切破坏) 是指剪力墙连梁丧失了承载力, 各墙肢丧失了连梁对它的约束作用, 成了单独的悬臂墙。这会使结构的侧向刚度大大降低, 变形加大, 墙肢弯矩加大, 并最终可能导致结构的倒塌, 这是结构设计时应避免发生的。

二、剪力墙结构中的连梁设计

剪力墙结构抗震性能好于其他结构, 但设计时同样要满足键筑抗震设计规褂的要求.因此, 剪力墙结构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, 即剪力墙结构在承受地震力的时候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, 即破坏时发生延性破坏 (弯曲破坏) .对此在实际工程中, 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、对连梁弯矩及剪力进行塑性调幅, 以降低其剪力设计值。

在剪力墙结构中, 与连梁相连的墙肢刚度大, 梁两端的变位差很大, 梁剪力就很大, 因此可考虑在不影响其承受竖向荷载能力的前提下允许其适当开裂, 而把内力转移到墙体, 可以在开始进行结构整体计算时就对连梁刚度进行折减。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第5.2.1条规定:“在内力与位移计算中抗震设计的, 在框架一剪力墙或剪力墙结构中的连梁的刚度可予以折减, 折减系数不宜小于0.5。"通常, 设防烈度低时可以少折减, Ⅵ度、Ⅶ度时可以取0.7, Ⅷ度、IX度时可取0.5。也可在内力计算后再将连梁弯矩和剪力进行折减。这两种方法的目的都是要减少连梁内力和配筋, 无论采用哪种方法, 连梁调幅后的弯矩和剪力设计值都不应低于使用状况的值, 也不宜低于比设防烈度低1度的地震组合所得的弯矩设计值, 以避免在正常使用状况或小震作用下连梁开裂。

2、增加剪力墙厚度, 增加洞口的宽度.

增加剪力墙厚度 (在保证结构形心和重心重合满足要求的情况下) , 这样使连梁的截面宽度也同时增加。这样: (1) 由于结构整体刚度加大, 地震产生的内力也随着刚度加大而增加: (2) 连梁的受剪承载力与宽度的增加成正比, 由于该片的墙厚增加, 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, 因此也有可能使连梁的受剪承载力满足要求。或增加洞口的宽度, 增大连梁的跨高比, 这样连梁刚度就会减少, 或在不至造成短肢剪力墙的情况下增加洞口数量。这样, 剪力墙结构整体刚度就会减少, 结构吸收的地震力也就减少了;地震作用的影响减少, 连梁的承载力也就满足要求了。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%, 否则连梁截面上的平均剪应力超过限值时, 若加大截面高度, 一般会使作用在连梁上的剪力更大, 反而更不利。

3、当连梁破坏对承受竖向荷载没

有太大影响时, 即连梁在剪力墙结构中只承担地震及风荷载带来的水平力作用时, 可以考虑在大震作用下该墙肢的连梁不参与工作, 把此墙肢分别按独立墙肢进行第二次结构内力分析.该墙肢的配筋应按两次计算所得的较大内力进行配筋, 计算时可以将容易超筋的连梁两端定义为铰接, 但前提条件是剪力墙结构的层间位移比满足规范《高层建筑结构技术规程》4.6.3的要求。

结语

汉川地震后, 分析各种震害后所总结的结构设计经验告诉我们, 要设置多道抗震防线, 即强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件, 这样剪力墙连梁即可充当剪力墙结构的抗震防线。因此, 剪力墙连梁设计要协调各种因素, 以取得剪力墙结构抗震设计的理想结果。

参考文献

[1]《结构设计的新思路——概念设计》, 《工业建筑》, 1999年。

剪力墙双连梁设计 篇5

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。

2. 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。

2.2 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2 0%, 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。

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。

3. 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。

4. 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。

双连梁的等效方法及其对比分析 篇6

关键词：双连梁,等效方法,性能,有限元

所谓双连梁即指将单根连梁以水平缝隔开而形成上下两根连梁, 是对超筋连梁的一种特殊处理手段[1]。鉴于目前的计算方法和计算软件的限制, 双连梁在结构设计上还没有一个成熟的计算方法, 当前的计算方法是先将两根连梁看成一个整体, 进行计算内力, 然后将内力平均分配给两根梁, 单独进行配筋, 这样的做法, 有一定的局限性, 计算出的受力情况和配筋结果与实际情况有很大差别, 这就需要我们寻找出一种能近似真实的表达出双连梁的实际受力情况的等效方法。通过阅读相关学者的文章, 本文认为可以归纳为四种等效方式, 即抗剪刚度等效 (又称简单等效) 、抗弯刚度等效、抗侧移刚度等效、抗转角刚度等效 (最近天津大学提出的一种新思路) , 本文就各种等效方法进行分析和比较, 找到一个更加合理, 更加近似于实际工程结构的等效方法。

1 几种等效方法的介绍

1.1 抗剪刚度等效

所谓抗剪刚度等效, 由于材料特性相同, 即双连梁的抗剪截面面积等效, 又称简单等效, 通俗地讲, 抗剪刚度等效就是指双连梁截面高度减半, 宽度加倍, 它的优点是原则简单, 容易理解和配筋, 表面上看, 它的内力值似乎并未发生改变, 然而真实情况是, 梁截面的抗弯内力值却发生了明显的变化, 这其实是一种相当不准确的等效。

1.2 抗弯刚度等效

对于抗弯刚度等效, 顾名思义是截面的抗弯刚度模量相同, 最终是转动惯量I相同, 按近似方法计算, 经过处理后的截面高度H=0.8h, 而广东省设计研究院的焦柯等人试算出了该等效方法的一般公式, 得到了最后等效模型需要的刚度折减系数, H=0.76h[2]。

1.3 抗侧移刚度等效

对于抗侧移刚度等效的理解, 笔者认为是通过计算机模拟加计算推导得出来的, 先通过有限元分析软件将双连梁模型输入进去, 在墙肢端给以固定的荷载, 求解出此时的最大位移, 然后输入一个单连梁模型, 施加同一位置上的同样的荷载, 通过试算, 往复调节连梁高度, 使此时的最大位移与之前的双连梁模型时的最大位移相等或者相近似, 记录出此时的连梁高度, 此方法即抗侧移刚度等效。

1.4 抗转角刚度等效

最近, 天津大学提出了一种新型的等效方法, 并且推导出了它的相应的转角等效公式, 为双连梁等效提出了一种新的思路。剪力墙结构中一个重要的系数是整体性系数α, 其含义是连梁的各层转角刚度与所有墙肢线刚度之和的比值再开平方, 如果把双连梁等效看成一根单连梁, 结果是它相应的整体性系数就应该相同, 这其中的实质是等效前后连梁对墙肢的约束能力相同, 在线性分析中两者一定会表现出相同的受力性能, 对于前后的整体性系数相等, 如果保持墙肢的各方面指标不变, 自然变为等效前后连梁的转角刚度相等, 这就是抗转角刚度等效[3]。

2 模型设计

为了研究双连梁在几种方法等效后的受力状态和各种指标因素, 我们在有限元软件Ansys中建立五个模型, 墙肢长度统一为4.0m。第一个模型是水平开缝的双连梁模型, 单个墙肢的截面高度取2000mm, 墙肢厚度取200mm, 开缝尺寸为100mm, 每根梁b×h是200×900, 洞口宽度为1200mm, 因此洞口高度为2100mm;第二个模型是抗剪刚度等效的模型, b×h为200×1900mm, 墙肢厚度取200mm, 洞口宽度为1.2m, 计算得出洞口高度是2100mm;第三个模型为抗弯刚度等效的模型, b×h为200×1134mm, 墙肢厚度取200mm, 洞口宽度为1200mm, 洞口高度为2866mm;;第四个模型为抗侧移刚度等效的模型, 根据朱炳寅先生的手算推导, b×h为200×1460mm, 墙肢厚度取200mm, 洞口宽度为1200mm, 洞口高度为2540mm;;最后一个模型为抗转角刚度等效的模型, 该等效思路比较新颖, 经过计算, 其b×h为200×1352mm, 墙肢厚度取200mm, 洞口宽度为1200mm, 洞口高度为2648mm。

3 结果分析

用单元shell63来模拟建立本文所列模型。在每个模型的顶部均施加大小为500KN、方向水平向右的集中力, 并将两片剪力墙下端设定为嵌固端, 计算得Ansys分析结果, 分别对左截面梁端进行内力求解, 可以得到左侧截面的内力如下:

注:力的单位KN, 弯矩的单位KN.M, 位移的单位mm。

从上表不难看出, 模型2的剪力与实际情况模型1最接近, 这是因为两种模型的抗剪截面即截面面积相差不是很大, 在这之后, 是模型4的剪力最为接近实际情况, 然后是模型5, 最后是模型3;对于轴力, 几种模型的轴力几乎没有多大变化, 说明在一定等效范围内, 等效方法的不同对梁端的轴力影响不大, 模型4与实际情况最为接近;对于弯矩, 模型4和5与实际情况较为接近, 说明抗侧移刚度等效和抗转角刚度等效在计算配筋方面误差小于其他方法, 模型1的弯矩与实际情况相差较大, 这点在实际结构设计中对配筋有很大的影响, 这也是抗剪切刚度等效被公认为误差较大的最主要的原因, 所以在这里无论在其他各项数据方面抗剪刚度等效与实际情况有多么的接近, 我们首先先定义该方法为最不合理的方法;至于顶点最大位移, 模型2最为接近实际情况;接下来是模型4、5、模型3即抗弯刚度等效与实际情况的最大位移相差最大。综上可知, 按抗侧移刚度等效方案得到等效连梁在结构位移及内力各方面都与等效前的双连梁吻合良好, 可以尝试对结构进行分析。

连梁超筋的本质是连梁剪压比超限, 抗剪截面面积不够, 连梁在水平地震作用下的剪压比:

式中:αE为连梁在水平地震作用下截面的剪压比;V为连梁剪力设计值;fc为混凝土轴心抗压强度设计值;b和h0分别为连梁截面宽度和有效高度;βc为混凝土强度影响系数。如果把模型2看成是初始结构, 当连梁超筋时, 设计人员为解决上述情况设计了在连梁中间设水平缝的模型1, 在这里, 对于模型1和2我们近似的认为他们的h0相等 (忽略开缝, 近似认为单梁有效高度为双梁有效高度之和) , 由上式可以看出, 由于βc、fc、b均不变因此αE只与V/H0的比值有关。实际上连梁剪力V的变化与连梁高度、连梁的跨高比以及连梁与墙肢的线刚度比等各方面因素有关, 是一个十分复杂的问题。

从上面的表中, 可以直接看出, 模型2的剪压比与实际情况最为接近, 但由于模型2所对应的抗剪刚度等效的方法最为不准确, 所以这里我们只拿模型3、4、5与实际请情况比较, 通过对比, 我们可以很清晰的得出结论, 三种情况模型4最为接近、模型5次之、模型3最后。

4 结论

(1) 抗剪刚度等效的思路得出的结果和现实模型存在着明显的不同, 没有通过深入研究验证, 最好不要在结构设计中推广。 (2) 通过阅读大量文献资料, 针对各种双连梁等效方法, 笔者发现有个别文章对于抗弯刚度等效和抗侧移刚度等效存在混淆分不清的问题, 在这里笔者认为在个别文献中我们常说的相对合理的等效方式“抗弯刚度等效”应该改为“抗侧移刚度等效”, 而“抗弯刚度等效”从字面上来看应该是本文中所说的EI前后相等。 (3) 抗转角刚度等效方法作为近几年一种比较新颖的等效方法在各项指标上与抗侧移刚度等效较为接近, 值得进一步分析和研究。

参考文献

[1]朱炳寅.对“双连梁”的认识与设计建议[J].建筑结构技术通讯, 2008, 11.

[2]陈云涛.双连梁的等效分析[J].建筑结构, 2011 (S1) .