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浅析高层建筑结构中的连梁设计
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内容提示：本文探讨了连梁对高层建筑结构整体性能的影响及其受力原理和破坏形式,讨论了连梁的概念设计方法.对高烈度区结构设计时连梁出现承载力不足现象进行了适用性分析,讨论了常用的设计措施.
1 引言
在剪力墙、框架—剪力墙和框架筒体结构体系中,连接墙肢与墙肢、墙肢与框架柱的梁称为连梁.连梁一般具有跨度小，截面高，与连梁相连的墙体刚度大等特点.因此，高层建筑在水平力作用下，连梁的内力往往很大.设计时，即使采取了降低连梁内力的各种措施，如：加大剪力墙的洞口宽度；在连梁中部开水平缝，在计算内力和位移时对连梁刚度进行折减，对局部内力过大层的连梁内力进行调整等，仍无法使连梁的截面设计符合要求.由于设计规范对此没有明确规定，因此，设计时感到无所适丛.而设计、构造不当将会造成结构在抵抗水平力时的强度、刚度不符合要求，进而影响承受竖向荷载的能力.本文将讨论高层建筑剪力墙中连梁设计的几个问题，并提出相应的建议.
2 连梁的受力机理与破坏形式在水平荷载的作用下,墙肢产生弯曲变形,使连梁端产生转角,从而使连梁产生内力, 同时连梁作用在墙肢上的约束力又限制了墙肢的进一步变形，改善了墙肢的受力性能并与墙肢共同承担水平荷载. 连梁的跨度一般不大，竖向荷载也较小，相对于墙肢变形产生的内力，竖向荷载产生的内力所占比例.连梁受力如图 1 所示.
在地震作用下,连梁可能因承载力超限而破坏连梁破坏有两种情况: 一种是脆性破坏即剪切破坏，如图 2 所示；另一种是延性破坏,即弯曲破坏，如图 3 所示.
在地震作用下，如果连梁产生剪切破坏，连梁对墙肢的约束作用将很快地丧失.联肢墙或筒体将很快的劈成若干个单片的独立墙肢，结构的抗侧刚度迅速下降，结构变形显著提高，造成结构整体抗震性能下降.
连梁发生弯曲破坏时,梁端出现垂直裂缝,受拉区出现细微裂缝,在水平地震作用下出现交叉裂缝形成塑性铰,结构刚度降低,变形加大,从而吸收大量地震能量,同时结构的地震效应减小.在地震的反复作用下,连梁裂缝不断加长、加宽,直至混凝土受压破坏,在这一过程中连梁起到一种耗能作用.另一方面,连梁出现塑性铰后并未完全丧失承载力,它仍能通过塑性铰传递一定的弯矩和剪力,对墙肢起到一定的约束作用,这对于减少墙肢力、延缓墙肢屈服有着重要作用.
已有研究表明，剪跨比对混凝土梁的破坏形式有较大影响：剪跨比越小，剪切变形占全部变形的比例就越大，剪切破坏的特征就愈加明显，脆性就越大.反之，剪跨比越大，弯曲破坏的特征就愈加明显，延性就越好.
综上可见，墙肢和连梁的设计必须符合强剪弱弯的原则,要求连梁的屈服早于墙肢的屈服,并要求墙肢和连梁具有良好的延性.
3 连梁的概念设计
《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)(以下简称《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中的连梁刚度可予以折减，折减系数不宜小于 0.5”.之所以考虑对连梁的刚度进行折减，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的更大，因此，刚度降低的更多.但是，刚度折减得越多，意味着设计荷载作用下裂缝开展得越大.在超载时，如发生强大的阵风或地震烈度超过多遇地震烈度时，塑性铰也会出现得更早，这就要求更加注意加强连梁的延性和使连梁符合“强剪弱弯”的要求.
连梁刚度折减后承载力仍不满足时，《高规》第7.2.25 条第二款规定“:抗震设计的剪力墙中连梁弯矩及剪力可进行塑性的调幅,以降低其剪力设计值.但在内力计算时已经按本规程第 5.2.1 条的规定降低了刚度的连梁,其调幅范围应当限制或不再继续调幅.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”. 连梁的弯矩设计值包括竖向荷载和水平荷载两部分所产生的内力.竖向荷载产生的弯矩已通过弯矩调幅进行调整,而且竖向荷载的弯矩不能通过其他构件的弯矩来进行调整.因此,这里所说的弯矩调整是指水平荷载产生的弯矩.
个别连梁仍有超筋情况时《,高规》第 7.2.25 条第 3 款规定“：当连梁破坏对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与工作，按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下结构内力分析，墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋设计”.即假定连梁大震下破坏，不能约束墙肢.因此可考虑连梁不参与工作，而按独立墙肢进行二次结构内力分析，这时就是剪力墙的第二道防线，这种情况往往使墙肢的内力及配筋加大，以保证墙肢的安全.
4 设计措施
在内力和位移计算时，要区别竖向荷载作用下和水平荷载作用下两种不同情况的连梁刚度折减系数.在竖向荷载作用下，连梁刚度不宜折减，连梁支座弯矩的降低可通过支座弯矩调幅来解决.在水平荷载作用下，连梁刚度可以折减，当风荷载作用时，折减系数不宜小于 0.8.当地震力为控制性水平荷载时不应小于 0.5.
连梁刚度折减后承载力仍不满足时,对风荷载起控制作用的高层建筑中应采取下列几点措施:
（1）增加剪力墙的厚度即增加连梁截面宽度,提高剪力墙刚度的同时亦提高连梁的抗剪能力；
（2）增加剪力墙数,以减少每片剪力墙的水平力；
（3）加大洞口宽度以加大连梁跨度，如图 4 所示；
（4）减少连梁截面高度或在连梁中部开水平缝等,以降低连梁刚度，如图 5 所示.对于地震作用控制的连梁，如果结构的刚度较大，位移比规定的限值小得较多，而超筋或超限的连梁数量又较多时，则可采取加大连梁洞口，减小连梁截面高度等方法，使连梁的内力减小.如果结构的刚度较小，则不应再对连梁的内力进行调整，而应采取增加剪力墙的厚度或数量的方法，以减小连梁的内力，使之符合要求.
经上述调整后,仍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,应将这些连梁按铰接于剪力墙上考虑,重新计算整个结构,必要时应做弹塑性的时程分析.在实际设计中,可在超筋部位的连梁按铰接处理进行整体分析计算,若采用中国建筑科学研究院 PKPM CAD 工程部开发研制的结构计算系列软件计算时,可按下述方法处理:在用 PM建模时应在洞口两侧各增设一个节点,然后在两节点间按普通梁布置, 而后用 SATWE“特殊构件定义”中将此梁设为两端铰接.但此时应注意按此法处理后结构层间位移比尚需满足规范的要求,配筋按两次计算所得的较大内力配筋.连梁铰接处理后,主要承受竖向荷载,施工时仍为整浇,连梁上筋按构造设置处理.
5 结论
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.连梁作为框剪、框筒或剪力墙结构体系中主要的抗震构件,其合理的刚度对结构的安全、经济性影响重大,通过结构分析比较,在保证连梁延性的要求下,连梁刚度不宜过弱.在结构分析中当连梁出现承载力不足时可根据具体情况采取以上适当的方法,加以调整.
参考文献：
〔1〕建筑抗震设计规范(GB50011—2001)．北京：中国建筑工业出版社，2008.
〔2〕高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2002)．北京：中国建筑工业出版社，2002.
〔3〕李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及计算．北京：中国建筑工业出版社，2004.
〔4〕徐建.建筑结构设计常见及疑难问题解析．北京：中国建筑工业出版社，2007. 来源: 《建筑中文网》.
在剪力墙、框架—剪力墙和框架筒体结构体系中,连接墙肢与墙肢、墙肢与框架柱的梁称为连梁.连梁一般具有跨度小，截面高，与连梁相连的墙体刚度大等特点.因此，高层建筑在水平力作用下，连梁的内力往往很大.设计时，即使采取了降低连梁内力的各种措施，如：加大剪力墙的洞口宽度；在连梁中部开水平缝，在计算内力和位移时对连梁刚度进行折减，对局部内力过大层的连梁内力进行调整等，仍无法使连梁的截面设计符合要求.由于设计规范对此没有明确规定，因此，设计时感到无所适丛.而设计、构造不当将会造成结构在抵抗水平力时的强度、刚度不符合要求，进而影响承受竖向荷载的能力.本文将讨论高层建筑剪力墙中连梁设计的几个问题，并提出相应的建议.
2 连梁的受力机理与破坏形式在水平荷载的作用下,墙肢产生弯曲变形,使连梁端产生转角,从而使连梁产生内力, 同时连梁作用在墙肢上的约束力又限制了墙肢的进一步变形，改善了墙肢的受力性能并与墙肢共同承担水平荷载. 连梁的跨度一般不大，竖向荷载也较小，相对于墙肢变形产生的内力，竖向荷载产生的内力所占比例.连梁受力如图 1 所示.
在地震作用下,连梁可能因承载力超限而破坏连梁破坏有两种情况: 一种是脆性破坏即剪切破坏，如图 2 所示；另一种是延性破坏,即弯曲破坏，如图 3 所示.
在地震作用下，如果连梁产生剪切破坏，连梁对墙肢的约束作用将很快地丧失.联肢墙或筒体将很快的劈成若干个单片的独立墙肢，结构的抗侧刚度迅速下降，结构变形显著提高，造成结构整体抗震性能下降.
连梁发生弯曲破坏时,梁端出现垂直裂缝,受拉区出现细微裂缝,在水平地震作用下出现交叉裂缝形成塑性铰,结构刚度降低,变形加大,从而吸收大量地震能量,同时结构的地震效应减小.在地震的反复作用下,连梁裂缝不断加长、加宽,直至混凝土受压破坏,在这一过程中连梁起到一种耗能作用.另一方面,连梁出现塑性铰后并未完全丧失承载力,它仍能通过塑性铰传递一定的弯矩和剪力,对墙肢起到一定的约束作用,这对于减少墙肢力、延缓墙肢屈服有着重要作用.
已有研究表明，剪跨比对混凝土梁的破坏形式有较大影响：剪跨比越小，剪切变形占全部变形的比例就越大，剪切破坏的特征就愈加明显，脆性就越大.反之，剪跨比越大，弯曲破坏的特征就愈加明显，延性就越好.
综上可见，墙肢和连梁的设计必须符合强剪弱弯的原则,要求连梁的屈服早于墙肢的屈服,并要求墙肢和连梁具有良好的延性.
3 连梁的概念设计
《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)(以下简称《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中的连梁刚度可予以折减，折减系数不宜小于 0.5”.之所以考虑对连梁的刚度进行折减，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的更大，因此，刚度降低的更多.但是，刚度折减得越多，意味着设计荷载作用下裂缝开展得越大.在超载时，如发生强大的阵风或地震烈度超过多遇地震烈度时，塑性铰也会出现得更早，这就要求更加注意加强连梁的延性和使连梁符合“强剪弱弯”的要求.
连梁刚度折减后承载力仍不满足时，《高规》第7.2.25 条第二款规定“:抗震设计的剪力墙中连梁弯矩及剪力可进行塑性的调幅,以降低其剪力设计值.但在内力计算时已经按本规程第 5.2.1 条的规定降低了刚度的连梁,其调幅范围应当限制或不再继续调幅.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”. 连梁的弯矩设计值包括竖向荷载和水平荷载两部分所产生的内力.竖向荷载产生的弯矩已通过弯矩调幅进行调整,而且竖向荷载的弯矩不能通过其他构件的弯矩来进行调整.因此,这里所说的弯矩调整是指水平荷载产生的弯矩.
个别连梁仍有超筋情况时《,高规》第 7.2.25 条第 3 款规定“：当连梁破坏对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与工作，按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下结构内力分析，墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋设计”.即假定连梁大震下破坏，不能约束墙肢.因此可考虑连梁不参与工作，而按独立墙肢进行二次结构内力分析，这时就是剪力墙的第二道防线，这种情况往往使墙肢的内力及配筋加大，以保证墙肢的安全.
4 设计措施
在内力和位移计算时，要区别竖向荷载作用下和水平荷载作用下两种不同情况的连梁刚度折减系数.在竖向荷载作用下，连梁刚度不宜折减，连梁支座弯矩的降低可通过支座弯矩调幅来解决.在水平荷载作用下，连梁刚度可以折减，当风荷载作用时，折减系数不宜小于 0.8.当地震力为控制性水平荷载时不应小于 0.5.
连梁刚度折减后承载力仍不满足时,对风荷载起控制作用的高层建筑中应采取下列几点措施:
（1）增加剪力墙的厚度即增加连梁截面宽度,提高剪力墙刚度的同时亦提高连梁的抗剪能力；
（2）增加剪力墙数,以减少每片剪力墙的水平力；
（3）加大洞口宽度以加大连梁跨度，如图 4 所示；
（4）减少连梁截面高度或在连梁中部开水平缝等,以降低连梁刚度，如图 5 所示.对于地震作用控制的连梁，如果结构的刚度较大，位移比规定的限值小得较多，而超筋或超限的连梁数量又较多时，则可采取加大连梁洞口，减小连梁截面高度等方法，使连梁的内力减小.如果结构的刚度较小，则不应再对连梁的内力进行调整，而应采取增加剪力墙的厚度或数量的方法，以减小连梁的内力，使之符合要求.经上述调整后,仍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,应将这些连梁按铰接于剪力墙上考虑,重新计算整个结构,必要时应做弹塑性的时程分析.在实际设计中,可在超筋部位的连梁按铰接处理进行整体分析计算,若采用中国建筑科学研究院 PKPM CAD 工程部开发研制的结构计算系列软件计算时,可按下述方法处理:在用 PM建模时应在洞口两侧各增设一个节点,然后在两节点间按普通梁布置, 而后用 SATWE“特殊构件定义”中将此梁设为两端铰接.但此时应注意按此法处理后结构层间位移比尚需满足规范的要求,配筋按两次计算所得的较大内力配筋.连梁铰接处理后,主要承受竖向荷载,施工时仍为整浇,连梁上筋按构造设置处理.
5 结论
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.连梁作为框剪、框筒或剪力墙结构体系中主要的抗震构件,其合理的刚度对结构的安全、经济性影响重大,通过结构分析比较,在保证连梁延性的要求下,连梁刚度不宜过弱.在结构分析中当连梁出现承载力不足时可根据具体情况采取以上适当的方法,加以调整.
参考文献：
〔1〕建筑抗震设计规范(GB50011—2001)．北京：中国建筑工业出版社，2008.
〔2〕高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2002)．北京：中国建筑工业出版社，2002.
〔3〕李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及计算．北京：中国建筑工业出版社，2004.
〔4〕徐建.建筑结构设计常见及疑难问题解析．北京：中国建筑工业出版社，2007. 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201012/14585.htm
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