试论框架剪力墙连梁设计及超筋的处理

试论框架剪力墙连梁设计及超筋的处理摘要:框架剪力墙结构设计中,连梁是主要的耗能构件,其延性的大小对整个工程结构的安全非常关键。本文就框架剪力墙连梁破坏情况进行分析，并对框架剪力墙连梁设计要点、框架剪力墙连梁超筋计算处理及配筋设计进行了阐述。关键词:框架剪力墙；破坏情况；连梁设计；超筋处理1框架剪力墙连梁破坏情况(1)属于脆性破坏，(2)属于延性破坏当连梁发生脆性破坏时其承载力丧失，如果沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时，各墙肢就丧失了连梁对它的约束作用，并成为单片的独立梁。从而造成结构的侧向刚度大大降低，结构的变形加大，并且进一步增大p一△效应(竖向荷载由于水平位移而产生的附加弯矩)，最终可能造成结构的倒塌。当连梁发生延性破坏时，梁端出现垂直裂缝，受拉区出现微裂缝，在地震作用下会出现交叉裂缝，并形成塑性铰，因此结构刚度降低，变形加大，从而会吸收大量的地震能量。2框架剪力墙连梁设计要点根据以上对连梁的工作和破坏机理的分析，为保证墙肢和连梁一致协同地工作，在正常的使用荷载和风荷载作用下，结构应处于弹性工作状态，连梁不应该出现塑性铰。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。所以连梁设计的要求符合强剪弱弯的原则，连梁的屈服要早于墙肢的屈服，并保证墙肢和连梁具有良好的延性。因此在日常设计中，为了建立合理的结构模型，我们应该把握以下几种方法：2.1连梁刚度的折减(1)《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的连梁刚度可以折减，折减系数不宜小于0.5。《高规》中取值范围比较模糊，没有区分抗震和非抗震两种情况。之所以考虑对连梁刚度进行折减，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更大，因此刚度降低更多。刚度折减越多意味着在设计荷载作用下裂缝开展越大。在超载时，如发生强大的阵风力或地震烈度超过多遇地震烈度时，塑性铰就会出现更早，所以要加强连梁的延性和使连梁符合强剪弱弯要求。对位移由风荷载控制的建筑，为避免连梁在使用荷载作用下裂缝开展过大，连梁刚度折减系数不宜小于0.8。按《高规》规定，在计算竖向荷载作用下的内力时，对已经考虑连梁调幅的，不应再考虑刚度折减。(2)抗震设计剪力墙结构连梁的弯矩和剪力可进行适当塑性调幅，以降低其剪力设计值。但在结构计算中已对连梁进行了刚度折减，其调幅范围应限制或不再调幅。当部分连梁降低弯矩设计值后，其余部位的连梁和墙肢的弯矩应相应加大。一般情况下，经全部调幅(包括计算中连梁刚度折减和对计算结果的后期调幅)后的弯矩设计值不宜小于调幅前(完全弹性)的0.8倍(6，7度)和0.5倍(8，9度)。但是我们应该注意：(1)这调整方法考虑连梁端部的塑性内力重分布，对跨高比较大的连梁效果比较好，而对跨高比较小的连梁效果较差；经此调整，仍可确保连梁对承受竖向荷载无明显影响。2.2加大连梁跨度减小其高度在连梁设计过程中，其刚度经折减后，仍有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，以减小连梁刚度。减小结构的整体刚度，就是减小了地震力作用的影响，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。但是调整的幅度不宜大于2o，且连梁必须满足强剪弱弯原则。2.3加大剪力墙厚度为了是增加连梁的截面宽度。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。2.4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。2.5处于地震区的高层建筑剪力墙的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。2.6连梁的铰接处理计算结果(2)是连梁铰接处理后的连梁及相应剪力墙的配筋。当连梁的破坏对承受竖向荷载无明显影响(即连梁不作为次梁的支承梁)时，可假定该连梁在大震下破坏，对剪力墙按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下的结构内力分析。实际计算时，为减小结构计算工作量，可将连梁按两端铰接梁计算。3框架剪力墙连梁超筋计算处理及配筋设计3.1对超筋连梁的计算处理。对采用上述2.6的方法对连梁进行计算处理后，结构的侧向位移不能满足规范要求，即层间位移角已不符合混凝土高规表4.6.3要求，且确无其他手段加大结构的侧向刚度时；或者采用2.6的方法调整效果不好，可在计算中考虑地震作用下连梁对墙实际存在的约束作用(既没有按真实截面弹性方法计算的那么大，也不是完全铰接，而是具有一定转动约束的塑性铰)，即在结构分析中采取降低连梁计算截面(但施工图的实际截面仍采用原有连梁截面尺寸)的方法。其计算控制目标是：连梁的计算剪力v3小于连梁实际截面所能承担的最大剪力[v1](按混凝土高规第7.2.23条计算)即可。注意此时程序可能仍然判断为超筋(v3[v3])，但其判断不真实，因为其实际截面尺寸大于计算截面尺寸，连梁所能承担的最大剪力还是[v1]。这时我们应该注意：(1)此调整中的连梁为其梁破坏对承受竖向荷载无明显影响的连梁，即连梁不作为次梁或主梁的支承梁。(2)此调整方法不宜作为首选方法，仅适用于上述的特殊情况。(3)此调整计算也属于第二次，是对剪力墙进行包络设计的重要步骤之一。3.2连梁计算处理后的分析及相应的配筋设计(1)情况一：连梁调幅处理后，计算结果满足规范要求。剪力墙配筋：直接按计算结果(1)配筋。连梁配筋：按计算结果(1)配筋。(2)情况二：对连梁进行计算处理后，当结构位移仍能满足规范要求，即层间弹性位移角符合混凝土高规表4．6．3要求时。剪力墙配筋：应进行包络设计，配筋取计算结果(1)、(2)的较大值(一般情况下，连梁铰接处理后，墙的计算结果较大)，以保证墙肢的安全。连梁配筋：按计算结果(2)配筋，同时应采取措施确保计算中的连粱与剪力墙的真正铰接。(3)情况三：对连梁进行计算处理后，当结构的侧向位移不能满足规范要求，且确无其他手段加大结构侧向刚度时，降低连梁截面进行计算。剪力墙配筋：应进行包络设计，配筋取计算结果(1)，(3)的较大值。连梁配筋：取实际截面，即计算结果(1)的截面，按连梁所能承受的最大剪力[v1]及相应弯矩m3计算配筋，此时连梁仍能满足强剪弱弯的要求。之所以可以这样处理，是因为当连梁承受的实际弯矩达到m3后，连梁端部达到最大弯矩承载力，形成塑性铰后连梁变形加大而弯矩不再增加，因此剪力仍能保持为v3，不会超筋。注意：当模拟连梁的计算截面取值过小(从计算结果中表现为v3小于[v1]过多)时，常出现纵向钢筋的折算值不满足最小配筋率要求，此时应适当加大至满足最小配筋率要求。(4)实际纵向钢筋配置时可采用的简化方法可根据实际连梁与计算连梁有效高度的比值，对计算的连梁纵向钢筋面积进行调整(应同时满足最小配筋率要求)。有文献提出按混凝土高规式(7．2．22-1)反算连梁梁端弯矩的方法(简称反算法)，但是笔者认为反算法尚存不足之处：①反算法假定连梁两端弯矩相等，但当连梁两端墙肢截面刚度差异较大时，此假定误差也大，反算结果是否合理值得商榷；②采用反算法，补充计算工作量大，作为一种近似计算方法，实用意义不大。(5)按连梁能承受的最大剪力配置箍筋的公式推导根据连梁的截面要求(混凝土高规第7.2.23条)可以推算出连梁所能承受的最大剪力[v1]，以此作为连梁的抗剪承载力设计值，可求出连梁的箍筋面积。非抗震设计时，按混凝土高规式(7.2.23—1)右式与式(7，2.24—1)右式相等。0.25βccbho=0.7tbho+yvhoasv/s，得:asv=(o.2βcc一0.7t)sb/fyv（1）抗震设计时，跨高比大于2.5时，按混凝土高规式(7.2.23—2)右式与式(7.2.24—2)右式相等0.20βccbho=o.42tbho+fyvhoasv/s，得:asv＝(o.2βcc一o.42t)sb/fyv（2）跨高比不大于2．5时，按混凝土高规式(7．2．23—3)右式与式(7．2．24—3)右式相等：0.15βccbho=o.38tbho+0.9fyvhoasv/s，得:asv=(o.17fc一0.42ft)sb/fyv(3)4结语总之，在连梁设计中，由于设计、构造不当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。因此合理地进行连梁设计与超筋处理尤显重要。参考文献[1]陈凡王全凤，剪力墙结构连梁设计的若干问题[j].福建建筑,2005.01[2]董磊,高层剪力墙结构连梁设计的探讨[j].科技信息,2008.31