剪力墙结构中如何解决连梁问题

郭培成

(厦门大学嘉庚学院，福建漳州 363105)

剪力墙结构中连梁作为重要的结构构件之一，具有跨度小、截面大、相连墙肢刚度较大等特点。高层建筑在水平风荷载和水平地震作用下，不论是剪力墙结构、框架-剪力墙结构，还是筒体结构，连梁都很容易发生超筋超限现象。因此采取必要措施，保证连梁截面符合设计要求，研究钢筋混凝土剪力墙结构及其破坏模式仍具有普遍适用性，而作为耗能构件的连梁，如何保证连梁不发生剪切破坏，并解决设计中遇到的超筋超限问题便成为一个棘手又重要的研究内容。

1 工程概况

某高层住宅楼,钢筋混凝土剪力墙结构。地下室为两层,层高依次为4.6 m和4.8 m；地上27层, 地上1层建筑层高为4.5 m;2～4层层建筑层高为4.2 m，为商务酒店、商场;其他层为民用住宅,层高度为3 m,建筑高度91.5 m,结构高度86.7 m，总建筑面积17 215 m2。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g,地震分组第三组,基本风压0.60，计算承载力时取基本风压的1.1倍，位移计算取基本风压, 结构体型系数1.4，基本雪压0.3,建筑物抗震设防类别为丙类，场地类别Ⅱ类，设计基准期50 a，使用年限70 a，结构安全等级二级，地基基础设计等级为甲级。本结构采用结构整体计算，采用中国建筑科学研究院编制的PKPM系列SATWE ( V4.2版)。

2 连梁设计与研究分析

将建筑物墙体的一部分作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称之为剪力墙结构，在抗震地区也称为抗震墙结构。按照JGJ 3-2010《高层混凝土结构技术规程》7.1.3条，跨度与高度比小于5的连梁(即两端与平面内剪力墙相连)应按照本规程进行设计，跨度与高度比不小于5的连梁宜按框架梁进行设计。连梁在PKPM模型中采用两种方式进行布置：第一种方式先布置剪力墙，然后再布置梁，使梁的跨度与高度比小于5，一般梁的截面高度较小；第二种，直接布置较长的剪力墙，然后再剪力墙中开设结构洞口，形成连梁，一般梁的截面高度较大，即双肢墙。分别按照下列要求进行配置箍筋计算，跨高比大于2.5的连梁见式(1)、跨高比不大于2.5的连梁见式(2)：

(1)

(2)

2.1 连梁的受力分析

剪力墙和连梁共同作用，形成空间受力体系，共同承担竖向荷载和水平荷载的作用，因此需保证连梁具有足够的承载能力和变形能力。在小震作用下整体结构仍处于弹性工作状态，连梁不产生塑性变形，在中震或大震作用下整体结构可进人弹塑性工作状态，连梁产生塑性变形。在地震作用下，连梁相对剪力墙延性较好，可以消耗地震能量，形成局部出现破坏，产生塑性铰，但不会影响到整体结构的安全。由于连梁的两端与刚度较大的剪力墙刚度连接，从而使其在地震作用下分配到的地震剪力也比较大，会在连梁两端出现转动(形成转角)，这时连梁就出现了塑性铰，表明连梁己进入弹塑性受力阶段，在分配的水平荷载不断增大的过程中，塑性铰也不断增大、扩展，最后导致连梁破坏，退出工作。连梁在整个设计过程中，作为剪力墙结构的第一道防线，通过破坏消耗地震能量，来保证地震作用下剪力墙不出现塑性铰。在实际项目中，大部分剪力墙连梁超筋超限现象都是由于剪压比不足造成的。为了解决这一问题，防止连梁过早发生剪切破坏，主要从结构概念设计和结构构件设计两大方面考虑。为了避免裂缝过早出现或混凝土过早剪切破坏，应对连梁进行最小截面尺寸的规定，下列公式仅仅代表地震状态下的要求。跨高比大于2.5的连梁见式(3)，跨高比不大于2.5的连梁见式(4)。

(3)

(4)

2.2 工程上如何解决连梁破坏、超筋等现象

连梁作为剪力墙中的一部分，对整体结构的刚度贡献较大，合理的设计不仅能够实现整体延性好、耗能高、刚度大、承载力高，而且也会满足经济效果好。连梁作为剪力墙结构中的第一道防线，应先于墙肢发生屈服，并具有较大的延性和耗能能力。

2.3 如何确定合理的连梁截面尺寸

连梁设计应满足强墙弱梁、强剪弱弯(连梁的剪力设计值等于或大于连梁在抗弯极限状态下对应的剪力，即:

(5)

2.4 设置交叉斜筋或对角暗撑

通过设置一定数量的交叉斜向钢筋，来提高连梁的抗剪能力。连梁截面宽度一般不小于250 mm，主要是为了保证钢筋有充足的安置空间。但是一般情况下，剪力墙的墙体厚度200 mm，交叉斜向钢筋不适合采用。设置对角暗撑，面积应符合式(6)的要求。即:

(6)

式中：α为暗撑与水平线的夹角，Vb代表连梁端截面组合的剪力设计值。

2.5 设置双连梁

双连梁是指在连梁截面高度的中间部位设置一条水平缝，将一根连梁分为两根小连梁，一般水平缝的宽度为50～100 mm，可保证连梁的抗剪承载力基本保持不变，而大大削弱连梁的抗弯承载力，满足强剪弱弯的要求。例如设计中采用连梁截面尺寸为b×h=200 mm×1000 mm,将其修改为2根200 mm×500 mm。这样相当于减小了梁截面高度，从而降低了其刚度，其分配的剪力值会明显下降。采用双连梁保证了面积不变，但截面惯性矩大小不同，刚度会下降。

2.6 连梁刚度折减

在进行计算地震作用效应时，由于相对于剪力墙而言，刚度较小，而受到的弯矩和剪力较大，配筋设计较为困难。因此JGJ 3-2010《高层混凝土结构技术规程》5.2.1条规定，对剪力墙连梁刚度予以折减，折减系数不宜小于0.5。抗震设防烈度越低，折减系数越大，一般6度、7度设防区折减系数0.7左右，8度、9度抗震设防烈度区为0.5～0.55。目的是减少地震作用下的连梁受力，但当连梁剪力作用效应最不利值由风荷载控制时，连梁刚度不宜折减。

2.7 荷载表现小的情况

当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时(无楼面梁支撑在连梁上时)，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，墙肢应按两次计算的较大内力进行包络设计，同时连梁本身宜满足非抗震设计的承载力和正常使用要求。

3 具体工程案例分析

通过PKPM的计算分析，结构整体指标中，在下部2～7层出现了连梁抗剪不满足要求以及Y方向的位移角为1/920不符合要求，本建筑结构方案平面中，X方向尺寸大，长宽比达到了3.7倍，因此Y方向刚度较小，其它指标均符合。由于剪力墙的数量、厚度、长度、混凝土等级均受到建筑功能的约束，无法进行调整，仅能通过修改框架梁、连梁的截面尺寸来满足结构的刚度，从而符合位移角的要求。为了使结构满足各项指标的要求，分别进行了各种方案的比较分析：

(1)第一种方案是采用加大部分框架梁的截面尺寸，但使其跨度与高度比不小于5，框架梁截面尺寸由200 mm×450 mm、200 mm×500 mm、250 mm×450 mm、250 mm×500 mm分别提高至200 mm×550 mm、250 mm×550 mm，经过重新计算分析，连梁抗剪不满足要求的位置和数量变化不大，位移角仅发生很小变化，变为1/938，仍不满足规范要求。

(2)第二种方案调整连梁的尺寸，如果减小连梁截面尺寸，会导致连梁的刚度下降，从而导致整体结构的刚度下降，这种方案不适合。

(3)第三种方案加大连梁截面尺寸，由原来的跨高比4.5分别增加至4、3.5、3、2.5等，这样可能会导致连梁承担更多的内力分配，使其内力增加的幅度大于截面加大抗力增加的幅度，这样也不一定会满足要求。经过处理，部分连梁满足最小截面尺寸验算，满足了抗剪要求，但还有部分连梁仍受剪不满足要求。剩余部分不满足抗剪要求的连梁，通过采用双肢墙来实现连梁，这样这样处理后，双肢墙中的部分连梁满足了抗剪要求，原因是连梁刚度增加、抗剪能力加强，开洞口后形成连梁，混凝土标号同剪力墙，提高了混凝土标号，参考式(2)、式(4)说明，混凝土标高提高对于连梁的抗剪有帮助。其余的连梁通过设置双连梁，减小连梁的受剪效应；对于二层楼面的两根连梁，通过设置交叉斜筋或对角暗撑的方式，使其满足了要求。经过处理，满足了连梁的抗剪要求，同时位移角为1/1070。

4 结论

在高层建筑结构设计中，连梁设计的合理与否直接影响剪力墙的受力性能及整体结构的安全性、合理性；连梁的强剪弱弯设计是为了更好地提高连梁延性，控制其合理的截面尺寸尤为重要；设置双连梁、交叉斜筋、对角暗撑等要针对具体情况，不要盲目地一起处理；对连梁出现的问题应围绕概念设计解决问题；合理设置墙肢，避免连梁屈服早于墙肢屈服。