高层建筑结构中的连梁设计

高层建筑结构中的连梁设计

第一工程咨询所,熊继业

【摘 要】

本文分析了高层建筑结构中连梁的受力原理和破坏形式,阐述了连梁的概念设计方法。本文还针对结构设计时，连梁出现超筋进行了分析，提出了相应的解决方法和建议，可供设计人员参考。 【关键字】

高层建筑、结构、连梁、设计

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，截面高，与连梁相连的墙体刚度大等特点。因此连梁在风荷载和水平地震荷载作用下，内力往往很大。 1、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一般可以忽略不计。连梁受力如图1-1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1-2所示；另一种是延性破坏,即弯曲破坏，如图1-3所示。

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图1-1：连梁的受力机理 图1-2：连梁的剪切破坏 图1-3：连梁的弯曲破坏

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。。 2、连梁的概念设计 2.1 连梁刚度的折减

《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

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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。

2.2 连梁刚度折减后承载力仍不符合满足时的探讨

《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

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的安全。 3、设计建议

3.1 连梁刚度折减取值

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。1、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。2、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。

3.2 连梁刚度折减后承载力仍不满足时的设计

在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3-1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3-2所示。

图3-1 图3-2

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

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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。 4、结论

Ⅰ、连梁作为框剪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。

Ⅱ、在结构分析中,连梁易出现超筋问题,根据情况可采取适当的方法,加以调整。

参考文献

[1] 建筑抗震设计规范(2008年版)(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

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