高层建筑剪力墙中连梁设计建议和配筋计算

高层建筑剪力墙中连梁设计建议和配筋计算

王　震(西南交通大学　成都610031)

　　【摘　要】　本文通过对高层建筑剪力墙连梁的工作原理以及在荷载作用下的破坏机理

的分析,提出在连梁设计时的建议,并讨论了连梁设计的两种配筋计算。　　【关键词】　高层建筑　连梁　配筋

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:

211　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41117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0155。”一般在实际设计中我们在0155—1之间取值,以符合截面设计的要求。

　　前　言

　　在剪力墙结构和框架—剪力墙结构中,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、截面大,与连梁相连的墙体刚度又很大等特点。一般在风荷载和地震荷载的作用下,连梁的内力往往很大。此外,高层建筑中,由于连梁两端墙肢的不均匀压缩,会引起连梁两端的竖向位移差,这也将在连梁内产生内力。在设计时,即使采取降低连梁内力的各种措施,如:增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进行调整等,仍难使连梁的设计符合要求。基于这种情况,本文将提供连梁设计的几个建议,并且讨论连梁设计时的配筋计算。　　1　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

Δ效应(竖向荷载由于水平位移而产生的增加P—

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36

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・建筑结构・

212　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。

213　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。

214　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。

215　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

　　311　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215及小于215两种情况,在截面受剪承载力及配筋方面均有不同规定。

31111　非抗震设计　连梁的截面尺寸要求:Vb≤0125fcbbhb0

连梁的斜截面受剪承载力:

Vb≤0107fcbbhb0+fyυ

AsυhboS

连梁的剪力设计值(一级抗震时):

lrlrMbuE+MbuEMb+Mb

Vb=1105+VGb=1127+VGb

lnln(式中系数:1127=1105×111×111)

连梁的斜截面受剪承载力:

Vb≤

γRE

1(01056fcbbhb0+0108fyυ

Asυ

hbo)S

由上可见,连梁跨高比大于215时,三个公式均与抗震设计中框架梁相似,因此这时连梁的截面配筋方式也同框梁。

②连梁跨高比小于215时,连梁的截面尺寸要

1求:Vb≤γ(0115fcbbhb0)RE连梁的剪力设计值(一级抗震时):

lrMb+MbVb=1127+VGd

ln连梁的斜截面受剪承载力:

Vb≤

γRE

1(01049fcbbhb0+0107fyυ

Asυ

hb0)S

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。

312　菱形配筋连梁的承载力计算31211　正截面承载力。菱形配筋连梁的正截面承载力可按下式计算:

Mu=

n2

α(h0-αAsfycos′s)+

n2

Asfy(h0-α′s)

=

n2

α)(h0-αAsfy(1+cos′s)

式中:As单根主钢筋的截面积;n主钢筋根数(由于主斜钢筋和主水平钢筋成对出现,故n为偶

数);α主斜钢筋与连梁水平轴线之间的夹角;h0连梁截面有效高度。

31212　斜截面承载力。为防止连梁发生剪切破坏,需提高连梁的抗剪承载力,为此在计算中引入强屈比来适当调整剪力设计值,即:Ky・V≤

Vcs

31112　抗震设计:①连梁跨高比大于215时,

连梁的截面尺寸要求:

1(012fcbbhb0)Vb=γRE

式中:Ky强屈比,即:连梁端截面的最大破

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・建筑结构・

坏剪力与纵筋屈服时的剪力之比,建议取Ky≥1110;V作用在连梁端截面的剪力设计值;Vcs连梁

的抗剪承载力。

值的56%～71%,所以在相同条件下,菱形配筋梁可承载较大的剪力。在满足菱形配筋连梁的剪压比条件和相应的平衡条件基础上,根据主钢筋配筋率的定义可得到菱形配筋连梁纵向主钢筋配筋率ρ菱的条件:

ρ菱≤01111

fcl・fyh

〔2〕

　　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。致谢,我在写作此文时得到了我的导师彭伟教授的极大关怀,在这里谨向他致以衷心的感谢!

参考文献

　　1　钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(JGJ3—91),中

国建筑工业出版社,北京,1991

　　2　戴瑞同等,菱形配筋钢筋混凝土剪力墙连梁受力性能研究,

上海城市建设学院科研报告,1993年12月

　　3　I.A.Tegos,G.Gr.Penelis:SeismicResistanceofShortCol2

umnsandCouplingBeamsReinforcedwithInclinedBars,ACIStructuralJournal,January-February1988

图1　菱形配筋示意图

菱形配筋连梁的抗剪承载力Vcs由混凝土、横向钢筋(箍筋)和主钢筋斜向段等三部分所承担的

剪力值组成,可按下式计算:

Vcs=0103fcbh0

Asvfyvα+0107h0+nAsvfysin

S

　　4　吴学敏,高层建筑剪力墙中连梁设计的探讨,建筑结构学

报,1995,(1)

　　5　建筑抗震设计规范(GBJ11—),中国建筑工业出版社,

北京,19年

式中:b连梁截面宽度。

由上海城建学院戴瑞同等的实验结果表明,主钢筋斜向段所承担的剪力值约占连梁承担的总剪力

收稿日期:2000年11月16日

(上接第35页)

前者仅为后者的60%,因此,从长远看还是选择金属拱形波纹屋顶更经济一些。对于小跨度(18米米内)的其它形式的轻钢屋面的造价,笔者没有分析,但由24米跨的造价分析,不难得出其与金属拱形波纹屋顶的造价大致相当的结论,因此,对于18米以下小跨度屋面,笔者建议选择金属拱型波纹顶。对于18～30米跨的屋面工程,三种屋面体系的造价差别不大,但金属拱型波纹顶的造价是最低的,当然具体选择哪一种屋面体系,还要看该体系对建筑物采光及整体装饰效果的影响,以及对下部结构、对整体造价的影响,此外,施工进度,

体系对抗震、抗风雪是否有利也是影响方案选择的主要因素。对于30～36m跨的屋面工程,网架结构的造价比金属拱型波纹要高很多,但其结构选择范围大,覆盖材料多,可以随意设计,这些特点使其在市场上仍占有一定的份额。总之,金属拱型波纹顶作为一种新型钢结构屋面体系,它的许多特点是其他屋面体系所不具备的,其结构用钢量少、造价经济,使其在小跨度屋面的竞争中确立了优势,而且随着该结构受力分析的进一步研究,它的应用范围也将会越来越广泛。

收稿日期:2000年12月12日

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