高层剪力墙结构连梁抗震设计中几个问题的探讨.pdf

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高层剪力墙结构连梁抗震设计中几个问题的探讨常林润（中国建筑设计研究院北京100044）摘要:

连梁作为剪力墙结构抗震设计中的第一道防线和主要耗能构件,其设计的合理与否直接影响到建筑物抗震性能的好坏。

通过对高层剪力墙连梁抗震设计中几个问题的探讨,对这些问题进行定量的分析,并对其处理方法进行一定的讨论,提出相应的看法与建议。

关键词:

剪力墙结构连梁配筋率承载力DISCUSSIONONSEVERALPROBLEMSOFCOUPLINGWALL2BEAMANTI2EARTHQUAKEDESIGNOFTALLSHEARWALLSTRUCTUREChangLinrun（ChinaArchitectureDesign&ResearchGroupBeijing100044）Abstract:

Asthefirstandchiefcomponenttoanti2earthquakeintheshearwallstructuredesigning,thecouplingwall2beam,whichisdesignedwellornot,affectstheanti2earthquakeperformanceofabuilding.Itisdiscussedsomeproblemsinthedesign,andisalsodonequantitativeanalysistopresentcorrespondingviewpointsandproposals.Keywords:

shearwallstructurecouplingwall2beamreinforcementratioload2carryingcapacity作者:

常林润男1970年7月出生高级工程师E-mail:

changlr收稿日期:

2006-02-17高层剪力墙住宅近20年在我国得到迅速发展,但高层剪力墙结构在我国还没有经受过地震特别是强震的考验。

高层建筑混凝土结构规程（JGJ3-2002）对这类结构的相关规定借鉴了不少国外的经验。

在工程设计中,由于住宅建筑在使用上的一些特殊性,造成结构构件尺寸比例的不合理,如:

连梁的跨高比较小等。

另外,还有一些设计时没有考虑的因素造成的不合理设计,如:

楼板钢筋对连梁抗弯承载力的增强作用。

这些都会直接影响到连梁的工作性能。

为此,笔者就连梁抗震设计中的几个问题进行一些探讨,不足之处请大家指正。

1连梁抗震设计中的几个问题111算例为直观地说明问题,对4种不同截面形式的连梁相关信息进行了计算,连梁截面如图1所示。

LL1为设计中常采用的截面形式,LL2、LL3为在LL1截面高度中部设置水平通缝形成的所谓带缝连梁,LL4为增加门洞高度形成的连梁。

各连梁跨度Ln均为900mm,两侧现浇楼板厚度为100mm,平行于连梁方向的板底配筋假定为8200。

混凝土C30,主筋、箍筋均为HRB400级钢筋,抗震等级二级。

一般而言,对大多数门窗洞口连梁,竖向荷载引起的连梁内力仅占很小比例,因此,在本算例中为简化计算,忽略竖向荷载产生的内力,并假定连梁反弯点在跨中。

连梁每侧翼缘板宽度按6倍板厚计,连梁截面抗弯刚度计算中分为考虑翼缘作用和不考虑翼缘作用两种情况。

连梁承载力计算时,首先根据连梁的跨高比,按照高层建筑混凝土结构规程（JGJ3-2002）中相应公式计算出连梁所能承担的最大剪力设计值,反算出连梁所能承担的最大弯矩设计值,由此计算出连梁配筋值,并根据实配钢筋计算出连梁的实际抗弯承载力。

算例中考虑了翼缘板中钢筋对连梁抗弯承载力的影响,同时还对连梁截面的极限转角能力和弯曲耗能能力进行了定量的对比分析。

计算结果见表1表6所示。

112计算数据分析11211楼板对连梁刚度的增大作用现浇钢筋混凝土楼板作为连梁的翼缘,对楼板刚度具有一定的增大作用,并且增大的程度随连梁截面形式的不同有较大的差别。

从表1中可以看出,LL1LL4考虑翼缘作用其刚度分别增大10315%、5516%、1416%和11016%。

但在结构计算时,连梁无论采用壳元模型还是杆元模型,均未能82IndustrialConstructionVol137,No12,2007工业建筑2007年第37卷第2期1-楼板钢筋,共68图1连梁截面Fig.1Couplingwall2beamsections表1各连梁刚度Table1Stiffnessofeachcouplingwall2beam刚度及其比值LL1LL2mmLL3mmLL4截面mm上部截面下部截面上部截面下部截面截面mm200700200300200300200200200400200400考虑翼缘时的刚度109mm4111632E11400E11400E11375E11375E21247E不考虑翼缘时的刚度109mm451717E01900E01900E11200E11200E11067E两者刚度之比210351155611556111461114621106注:

1）E为混凝土弹性模量,E=3100104Nmm2;2）带缝连梁的刚度为上下截面刚度之和。

表2各连梁与LL1刚度之比Table2Rigidityratioofeachcouplingwall2beamtoLL1刚度之比LL2LL1LL3LL1LL4LL1不考虑翼缘影响%151743201990181664考虑翼缘影响%121036111821191317表3连梁实配钢筋Table3Actualreinforcingbarsofcouplingwall2beams配筋LL1LL2mmLL3mmLL4截面mm上部截面下部截面上部截面下部截面截面mm200700200300200300200200200400200400上部钢筋（纵筋）218（0138%）222（1143%）222（1143%）222（2130%）316（0183%）316（1183%）下部钢筋218（0138%）222（1143%）222（1143%）222（2130%）316（0183%）316（1183%）箍筋810088088088081008100注:

括号内的数字为截面配筋率。

表4各连梁承载力及其与LL1之比Table4Eachcouplingwall2beambearingcapacityandtheratiotoLL1承载性能LL1LL2mmLL3mmLL4截面mm上部截面下部截面上部截面下部截面截面mm200700200300200300200200200400200400抗剪承载力kN335163178133178133111104184122184122与LL1之比值110001106311063018800188001549抗弯承载力（kNm）1151216219362193351577416174161与LL1之比值110001109211092019560195601648注:

1）不考虑翼缘部分的影响;2）抗弯承载力为按实配钢筋的实际抗弯承载力。

有效计及楼板的翼缘作用。

连梁刚度的增大无疑会使结构整体地震作用加剧,连梁也会吸收更多的地震作用;另外,连梁刚度的增大也会对保证“强墙肢弱连梁”的设计造成一定的不利影响。

92高层剪力墙结构连梁抗震设计中几个问题的探讨常林润表5有翼缘部分的连梁抗弯承载力Table5Bendingresistanceofcouplingwall2beamwithflanges抗弯性能LL1LL2上部截面LL3上部截面LL4考虑翼缘板内钢筋（kNm）1801538417746155107132不考虑翼缘板内钢筋（kNm）115121621933515774161两者承载力之比11567113471130911438注:

抗弯承载力为按实配钢筋的实际抗弯承载力。

表6连梁截面的极限转角及弯曲耗能能力Table6Limitcornerandbending2energydissipatingabilityofcouplingwall2beam弯曲性能LL1LL2LL3上部截面下部截面上部截面下部截面LL4转角rad2133321333315001175011750弯曲耗能115121293163125510631301568与LL1之比11000215492121411133注:

以LL1截面极限转角为基准。

11212降低连梁刚度的有效方法由于连梁刚度大,地震时受到的地震作用较大,所以在高层剪力墙结构中,连梁截面的超筋、超限现象难以避免。

即使按“高规”（JGJ3-2002）规定采用015的连梁刚度折减系数,往往也无法从根本上解决连梁的超筋、超限问题。

因此,大幅降低连梁刚度,是解决其超筋、超限问题的一条有效途径。

从表2可以看出,在连梁高度中部留设水平通缝形成带缝连梁,减小连梁截面高度,均可大幅度降低连梁刚度。

如:

LL2、LL3、LL4的刚度分别为LL1的15174%、20199%和18166%。

需要指出的一点是,在住宅建筑中,由于门洞高度的限制,通过增加洞口高度来减小连梁截面的方法一般可操作性不大。

降低连梁刚度的另一种方法是在连梁两端留设一定高度的竖向缝,以减小梁端截面高度,竖缝可采用压缩性较大的聚苯板等材料填充。

此时连梁的配筋仅在竖缝以上部分配置,竖缝之间的部分可认为是连梁的“吊板”,仅配置构造钢筋即可。

如图2所示。

1-连梁;2-墙肢;3-竖缝图2带竖缝连梁Fig.2Thecouplingwall2beamwithverticalgap需要强调的是,无论采用减小连梁截面高度,还是在连梁两端留设竖缝,连梁有效截面高度均不宜小于400mm。

对于带水平缝连梁,其上下部分有效截面高度均不宜小于300mm,以保证连梁具有足够的承载力和耗能能力。

11213连梁承载力从表4可以看出,LL2、LL3的抗弯、抗剪承载力和LL1相差不大,LL2还有所提高,而LL4却有较大幅度的减小。

因此,从承载力的角度,LL2、LL3的做法优于LL4。

11214连梁配筋正如前文所述,地震作用下高层建筑的连梁内力往往很大,易出现截面超筋、超限情况。

虽然采取了一定的处理措施（如“高规”（JGJ3-2002）第712125条第3点）,但有些设计人员仍将此类连梁的纵筋、箍筋配的很大。

如:

对截面为200mm700mm的连梁,纵筋上下各配225,箍筋10100,甚至纵筋上下各配425,箍筋LL3LL4LL1。

2连梁变形连梁的变形由剪切变形和弯曲变形两部分组成,这两种变形组分的大小与连梁的跨高比密切相关。

以双肢墙为例,采用连续化法假定,可导出连梁剪切变形v与相对变形的比值公式:

V=11+23。

不同跨高比的v见表7。

表7v和跨高比之间的相对关系Table7Therelationbetweenvand015110112511511752102125215310315410415510v0192017501660157015001430137013201250120011601130111住宅建筑中大多数连梁的跨高比115,从表7可知,其变形以剪切变形为主,变形能力比较差,因此,即使其截面承载力比较大,但其耗能能力也比较有限。

随着跨高比的增大,剪切变形的比例逐渐减小,弯曲变形的比例相应增大,连梁的变形能力增强,连梁的耗能能力也随之增强,这与上文的论述是一致的。

3连梁设计的建议在住宅建筑中,由于受到门窗洞口高宽的制约,造成大多数连梁的跨高比215时,连梁具有较好的变形能力。

同时为保证连梁对墙肢的有效约束,连梁应具备足够的承载力,连梁截面高度也不宜小于400mm。

对于带水平缝连梁,为使上下截面具有相同的变形能力,其截面尺寸宜相同,且高度不宜小于300mm。

带水平缝连梁可以有效增大连梁跨高比,同时连梁的承载力不但没有降低,而且其变形能力和耗能能力均有大幅度提高,是一种比较理想的水平耗能构件。

2）考虑翼缘板内钢筋对连梁弯曲承载力的增大作用。

这是一个很容易被忽视的问题,但它会使连梁由设计意愿的“强剪弱弯”构件变为实际的“强弯弱剪”构件,从而使连梁由延性的弯曲破坏变成脆性的剪切破坏。

因此,应根据连梁翼缘板内的配筋情况,调整连梁的纵筋配置,使连梁两向弯曲承载力相等或接近,而不应简单地采用习惯上的连梁截面上下对称配筋。

3）合理控制连梁配筋。

对于剪力墙结构中的超筋、超限连梁,相当一部分设计人员简单地认为,在不超过最大配筋率的情况下将连梁钢筋尽可能配大一些是有利的,实际上这是一种错误的看法。

正如前文所述,这不但不经济,而且对建筑物抗震也是有害的。

合理的最大配筋应由连梁截面最大剪力设计值控制。

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