試論框架剪力墻連梁設(shè)計(jì)及超筋的處理

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摘要: 框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,連梁是主要的耗能構(gòu)件,其延性的大小對(duì)整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的安全非常關(guān)鍵。本文就框架剪力墻連梁破壞情況進(jìn)行分析，并對(duì)框架剪力墻連梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)、框架剪力墻連梁超筋計(jì)算處理及配筋設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。 

關(guān)鍵詞: 框架剪力墻；破壞情況；連梁設(shè)計(jì)；超筋處理  1 框架剪力墻連梁破壞情況  (1)屬于脆性破壞，  (2)屬于延性破壞  當(dāng)連梁發(fā)生脆性破壞時(shí)其承載力喪失，如果沿墻全高所有連梁均發(fā)生剪切破壞時(shí)，各墻肢就喪失了連梁對(duì)它的約束作用，并成為單片的獨(dú)立梁。從而造成結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大降低，結(jié)構(gòu)的變形加大，并且進(jìn)一步增大p一△效應(yīng)(豎向荷載由于水平位移而產(chǎn)生的附加彎矩)，最終可能造成結(jié)構(gòu)的倒塌。當(dāng)連梁發(fā)生延性破壞時(shí)，梁端出現(xiàn)垂直裂縫，受拉區(qū)出現(xiàn)微裂縫，在地震作用下會(huì)出現(xiàn)交叉裂縫，并形成塑性鉸，因此結(jié)構(gòu)剛度降低，變形加大，從而會(huì)吸收大量的地震能量。  2 框架剪力墻連梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)  根據(jù)以上對(duì)連梁的工作和破壞機(jī)理的分析，為保證墻肢和連梁一致協(xié)同地工作，在正常的使用荷載和風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)處于彈性工作狀態(tài)，連梁不應(yīng)該出現(xiàn)塑性鉸。在地震作用下，結(jié)構(gòu)允許進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，連梁可以產(chǎn)生塑性鉸。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范總則的要求，建筑物在遭受低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，一般不損壞或不需修復(fù)仍可使用，當(dāng)遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。所以連梁設(shè)計(jì)的要求符合強(qiáng)剪弱彎的原則，連梁的屈服要早于墻肢的屈服，并保證墻肢和連梁具有良好的延性。因此在日常設(shè)計(jì)中，為了建立合理的結(jié)構(gòu)模型，我們應(yīng)該把握以下幾種方法：  2.1連梁剛度的折減  (1)《高規(guī)》第5.2.1條規(guī)定：在內(nèi)力與位移計(jì)算中，抗震設(shè)計(jì)的框架剪力墻或剪力墻結(jié)構(gòu)的連梁剛度可以折減，折減系數(shù)不宜小于0.5?！陡咭?guī)》中取值范圍比較模糊，沒有區(qū)分抗震和非抗震兩種情況。之所以考慮對(duì)連梁剛度進(jìn)行折減，是由于在側(cè)向荷載作用下，混凝土的開裂引起了剛度降低。在地震作用下，連梁的裂縫開展和塑性變形比在風(fēng)荷載作用下更大，因此剛度降低更多。剛度折減越多意味著在設(shè)計(jì)荷載作用下裂縫開展越大。在超載時(shí)，如發(fā)生強(qiáng)大的陣風(fēng)力或地震烈度超過多遇地震烈度時(shí)，塑性鉸就會(huì)出現(xiàn)更早，所以要加強(qiáng)連梁的延性和使連梁符合強(qiáng)剪弱彎要求。對(duì)位移由風(fēng)荷載控制的建筑，為避免連梁在使用荷載作用下裂縫開展過大，連梁剛度折減系數(shù)不宜小于0.8。按《高規(guī)》規(guī)定，在計(jì)算豎向荷載作用下的內(nèi)力時(shí)，對(duì)已經(jīng)考慮連梁調(diào)幅的，不應(yīng)再考慮剛度折減。  (2)抗震設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)連梁的彎矩和剪力可進(jìn)行適當(dāng)塑性調(diào)幅，以降低其剪力設(shè)計(jì)值。但在結(jié)構(gòu)計(jì)算中已對(duì)連梁進(jìn)行了剛度折減，其調(diào)幅范圍應(yīng)限制或不再調(diào)幅。當(dāng)部分連梁降低彎矩設(shè)計(jì)值后，其余部位的連梁和墻肢的彎矩應(yīng)相應(yīng)加大。一般情況下，經(jīng)全部調(diào)幅(包括計(jì)算中連梁剛度折減和對(duì)計(jì)算結(jié)果的后期調(diào)幅)后的彎矩設(shè)計(jì)值不宜小于調(diào)幅前(完全彈性)的0.8倍(6，7度)和0.5倍(8，9度)。但是我們應(yīng)該注意：(1)這調(diào)整方法考慮連梁端部的塑性內(nèi)力重分布，對(duì)跨高比較大的連梁效果比較好，而對(duì)跨高比較小的連梁效果較差；經(jīng)此調(diào)整，仍可確保連梁對(duì)承受豎向荷載無明顯影響。  2.2 加大連梁跨度減小其高度  在連梁設(shè)計(jì)過程中，其剛度經(jīng)折減后，仍有可能發(fā)生連梁正截面受彎承載力或斜截面受剪承載力不夠的情況，這時(shí)可以增加洞口的寬度，以減小連梁剛度。減小結(jié)構(gòu)的整體剛度，就是減小了地震力作用的影響，使連梁的承載力有可能不超限。如果只是部分連梁超筋或超限，則可采取調(diào)整連梁內(nèi)力來解決。但是調(diào)整的幅度不宜大于2o ，且連梁必須滿足強(qiáng)剪弱彎原則。  2.3加大剪力墻厚度  為了是增加連梁的截面寬度。一方面由于結(jié)構(gòu)整體剛度加大，地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力增加，另一方面連梁的受剪承載力與寬度的增加成正比。由于該片墻厚增加以后，地震所產(chǎn)生的內(nèi)力并不按墻厚增加的比例分配給該片剪力墻，而是小于這個(gè)比例，因此有可能使連梁的受剪承載力不超限。  2.4提高混凝土等級(jí)  混凝土等級(jí)提高后，結(jié)構(gòu)的地震作用影響增加的比例遠(yuǎn)小于混凝土受剪承載力提高的比例，有可能使連梁的受剪承載力不超限。  2.5處于地震區(qū)的高層建筑剪力墻的連梁  在進(jìn)行了上述調(diào)整后，仍有部分不符合承載力要求時(shí)，可取連梁截面的最大剪壓比限值確定剪力。然后按強(qiáng)剪弱彎的要求，配置相應(yīng)的縱向鋼筋。此時(shí)，如果不能保證連梁在大震時(shí)的延性要求，應(yīng)重新計(jì)算整個(gè)結(jié)構(gòu)，必要時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，使連梁的承載力符合要求。  2.6 連梁的鉸接處理  計(jì)算結(jié)果(2)是連梁鉸接處理后的連梁及相應(yīng)剪力墻的配筋。當(dāng)連梁的破壞對(duì)承受豎向荷載無明顯影響(即連梁不作為次梁的支承梁)時(shí)，可假定該連梁在大震下破壞，對(duì)剪力墻按獨(dú)立墻肢進(jìn)行第二次多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。實(shí)際計(jì)算時(shí)，為減小結(jié)構(gòu)計(jì)算工作量，可將連梁按兩端鉸接梁計(jì)算。  3 框架剪力墻連梁超筋計(jì)算處理及配筋設(shè)計(jì)  3.1對(duì)超筋連梁的計(jì)算處理  。對(duì)采用上述2.6的方法對(duì)連梁進(jìn)行計(jì)算處理后，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移不能滿足規(guī)范要求，即層間位移角已不符合混凝土高規(guī)表4.6.3要求，且確無其他手段加大結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度時(shí)；或者采用2.6的方法調(diào)整效果不好，可在計(jì)算中考慮地震作用下連梁對(duì)墻實(shí)際存在的約束作用(既沒有按真實(shí)截面彈性方法計(jì)算的那么大，也不是完全鉸接，而是具有一定轉(zhuǎn)動(dòng)約束的塑性鉸)，即在結(jié)構(gòu)分析中采取降低連梁計(jì)算截面(但施工圖的實(shí)際截面仍采用原有連梁截面尺寸)的方法。其計(jì)算控制目標(biāo)是：連梁的計(jì)算剪力v3小于連梁實(shí)際截面所能承擔(dān)的最大剪力[v1](按混凝土高規(guī)第7.2.23條計(jì)算)即可。注意此時(shí)程序可能仍然判斷為超筋(v3>[v3])，但其判斷不真實(shí)，因?yàn)槠鋵?shí)際截面尺寸大于計(jì)算截面尺寸，連梁所能承擔(dān)的最大剪力還是[v1]。這時(shí)我們應(yīng)該注意：  (1)此調(diào)整中的連梁為其梁破壞對(duì)承受豎向荷載無明顯影響的連梁，即連梁不作為次梁或主梁的支承梁。  (2)此調(diào)整方法不宜作為首選方法，僅適用于上述的特殊情況。  (3)此調(diào)整計(jì)算也屬于第二次，是對(duì)剪力墻進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)的重要步驟之一。  3.2 連梁計(jì)算處理后的分析及相應(yīng)的配筋設(shè)計(jì)  (1)情況一：連梁調(diào)幅處理后，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。剪力墻配筋：直接按計(jì)算結(jié)果(1)配筋。連梁配筋：按計(jì)算結(jié)果(1)配筋。  (2)情況二：對(duì)連梁進(jìn)行計(jì)算處理后，當(dāng)結(jié)構(gòu)位移仍能滿足規(guī)范要求，即層間彈性位移角符合混凝土高規(guī)表4．6．3要求時(shí)。剪力墻配筋：應(yīng)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，配筋取計(jì)算結(jié)果(1)、(2)的較大值(一般情況下，連梁鉸接處理后，墻的計(jì)算結(jié)果較大)，以保證墻肢的安全。連梁配筋：按計(jì)算結(jié)果(2)配筋，同時(shí)應(yīng)采取措施確保計(jì)算中的連粱與剪力墻的真正鉸接。  (3)情況三：對(duì)連梁進(jìn)行計(jì)算處理后，當(dāng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移不能滿足規(guī)范要求，且確無其他手段加大結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度時(shí)，降低連梁截面進(jìn)行計(jì)算 。  剪力墻配筋：應(yīng)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，配筋取計(jì)算結(jié)果(1)，(3)的較大值。連梁配筋：取實(shí)際截面，即計(jì)算結(jié)果(1)的截面，按連梁所能承受的最大剪力[v1]及相應(yīng)彎矩m3計(jì)算配筋，此時(shí)連梁仍能滿足強(qiáng)剪弱彎的要求。之所以可以這樣處理，是因?yàn)楫?dāng)連梁承受的實(shí)際彎矩達(dá)到m3后，連梁端部達(dá)到最大彎矩承載力，形成塑性鉸后連梁變形加大而彎矩不再增加，因此剪力仍能保持為v3，不會(huì)超筋。注意：當(dāng)模擬連梁的計(jì)算截面取值過小(從計(jì)算結(jié)果中表現(xiàn)為v3小于[v1]過多)時(shí)，常出現(xiàn)縱向鋼筋的折算值不滿足最小配筋率要求，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大至滿足最小配筋率要求。  (4)實(shí)際縱向鋼筋配置時(shí)可采用的簡化方法可根據(jù)實(shí)際連梁與計(jì)算連梁有效高度的比值，對(duì)計(jì)算的連梁縱向鋼筋面積進(jìn)行調(diào)整(應(yīng)同時(shí)滿足最小配筋率要求)。有文獻(xiàn)提出按混凝土高規(guī)式(7．2．22-1)反算連梁梁端彎矩的方法(簡稱反算法)，但是筆者認(rèn)為反算法尚存不足之處：  ①反算法假定連梁兩端彎矩相等，但當(dāng)連梁兩端墻肢截面剛度差異較大時(shí)，此假定誤差也大，反算結(jié)果是否合理值得商榷；  ②采用反算法，補(bǔ)充計(jì)算工作量大，作為一種近似計(jì)算方法，實(shí)用意義不大。  (5)按連梁能承受的最大剪力配置箍筋的公式推導(dǎo)根據(jù)連梁的截面要求(混凝土高規(guī)第7.2.23條)可以推算出連梁所能承受的最大剪力[v1]，以此作為連梁的抗剪承載力設(shè)計(jì)值，可求出連梁的箍筋面積。  非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，按混凝土高規(guī)式(7.2.23—1)右式與式(7，2.24—1)右式相等。  0.25βccbho=0.7tbho+yvhoasv/s，得:  asv=(o.2βcc一0.7t)sb/fyv（1）  抗震設(shè)計(jì)時(shí)，跨高比大于2.5時(shí)，按混凝土高規(guī)式(7.2.23—2)右式與式(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時(shí)，按混凝土高規(guī)式(7．2．23—3)右式與式(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結(jié)語  總之，在連梁設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)、構(gòu)造不當(dāng)造成結(jié)構(gòu)在抵抗水平力時(shí)的強(qiáng)度、剛度不符合要求，進(jìn)而影響承受豎向荷載的能力。因此合理地進(jìn)行連梁設(shè)計(jì)與超筋處理尤顯重要。  參考文獻(xiàn)  [1] 陳凡 王全鳳，剪力墻結(jié)構(gòu)連梁設(shè)計(jì)的若干問題[j].福建建筑,2005.01  [2] 董磊,高層剪力墻結(jié)構(gòu)連梁設(shè)計(jì)的探討[j].科技信息,2008.31