周 易 凱

(上海誠(chéng)建建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，上海 200063)

1 概述

剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅小區(qū)具有空間利用率高，小區(qū)公共綠化面積大，豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件與建筑隔墻融合度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，這些都能給小業(yè)主帶來更佳的日常居住體驗(yàn)，所以近些年來越來越多的工程選擇采用剪力墻這一結(jié)構(gòu)體系。

連梁設(shè)計(jì)是剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中獨(dú)具特色的一環(huán)。剪力墻結(jié)構(gòu)剛度比較大，剪力墻的彈性形變能力較弱，延性較差。因而如果在設(shè)防抗震級(jí)別的地震作用下僅僅靠剪力墻的彈性變形來耗能，就會(huì)使得剪力墻的截面設(shè)計(jì)得很大。這樣做既不滿足開發(fā)商的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)也不適合小業(yè)主的日常使用。連梁作為剪力墻結(jié)構(gòu)中率先進(jìn)入塑性的構(gòu)件，承擔(dān)著剪力墻結(jié)構(gòu)在遭遇中震，大震的情況下塑性耗能的關(guān)鍵角色，進(jìn)而保護(hù)了作為豎向力主要受力構(gòu)件的剪力墻不過早地發(fā)生塑性破壞，所以連梁也被稱為剪力墻結(jié)構(gòu)抵抗地震力的第一道防線。

連梁在中震，大震作用下能滿足塑性變形耗能的同時(shí)也需要滿足小震不壞的要求。這就要求連梁在多遇地震及風(fēng)荷載工況作用下，保持在彈性受力階段。

連梁的剪壓比超限意味著連梁有剪切破壞的傾向。如果連梁發(fā)生了剪切脆性破壞，其會(huì)迅速失效，根本無法進(jìn)入塑性耗能階段便已經(jīng)退出工作。這會(huì)極大地削弱剪力墻結(jié)構(gòu)在抵御地震水平力的延性程度，從而無法實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)要求。

如此重要的連梁剪壓比在工程設(shè)計(jì)中卻會(huì)常常遇到試算不通過的情況，成為調(diào)模型階段一類比較棘手的問題。本文結(jié)合上海某高層人才公寓的工程實(shí)例，分析造成連梁剪壓比超限的原因以及對(duì)不同的解決方法展開討論。

2 工程概況

上海地區(qū)某人才公寓，地上14層，地下2層，層高2.8 m，建筑總高度39.2 m，采用裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)。

由于業(yè)主方提出需要考慮小業(yè)主日后二次改造多戶合一的使用情形，所以本項(xiàng)目對(duì)于y向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置的限制尤其嚴(yán)格。首先房屋中部各標(biāo)準(zhǔn)戶型之間盡可能不布置剪力墻。其次聯(lián)系y方向剪力墻的框架梁的梁高也做了很大的限制，采取400 mm，290 mm高的梁交替布置。結(jié)構(gòu)地上第5層標(biāo)準(zhǔn)層示意圖如圖1所示。

初算模型中共有圖上標(biāo)注的3處連梁存在剪壓比超限的情況(本工程采用YJK2.0.3版本)，見表1。

表1 剪壓比超限的連梁

3 造成連梁剪壓比超限的因素

JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[1](以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)7.2.22條指出抗震設(shè)計(jì)狀況下連梁剪壓比定義式為：

(1)

其中，V為經(jīng)過強(qiáng)剪弱彎調(diào)整后的連梁截面剪力設(shè)計(jì)值；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；bb為連梁截面寬度；hb0為連梁截面有效高度；βc=1.0(≤C50)；γRE=0.85。

《高規(guī)》7.1.2指出：當(dāng)剪力墻的墻段長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)，剪力墻受彎后產(chǎn)生的裂縫寬度會(huì)較大，墻體的配筋容易拉斷，因而規(guī)范規(guī)定墻長(zhǎng)需要控制在8 m以下。這就需要連梁把較長(zhǎng)的剪力墻設(shè)置成多段聯(lián)肢剪力墻。

聯(lián)肢剪力墻作為主要抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)著絕大部分的地震作用和風(fēng)荷載等水平力，而連梁正是聯(lián)肢剪力墻發(fā)揮抗側(cè)力能力的關(guān)鍵。連梁由于其跨度較小所以其線剛度很大，因而能協(xié)調(diào)其相鄰的兩片墻肢形成聯(lián)肢剪力墻共同變形來抵抗水平力。反之連梁兩端的剪力墻作用在其兩端的約束彎矩也很大且通常彎矩方向同為順時(shí)針或逆時(shí)針。兩端大彎矩和小跨度這兩點(diǎn)使得連梁自然而然成為剪壓比超限的突出部位。

從連梁自身的承載力因素分析，連梁的跨高比是決定其剪壓比是否超限的重要因素,《高規(guī)》7.1.3條規(guī)定跨高比小于5的連梁按連梁設(shè)計(jì)，而跨高比不小于5的連梁宜按框架梁設(shè)計(jì)。不難看出，跨高比越小，連梁的特性就愈發(fā)明顯。

從連梁所受的荷載效應(yīng)分析，在某個(gè)受力方向上聯(lián)肢剪力墻數(shù)量少的區(qū)域、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯的結(jié)構(gòu)端部的聯(lián)肢剪力墻，這些區(qū)域中的連梁由于承擔(dān)著較大的地震內(nèi)力因而十分容易出現(xiàn)剪壓比超限的情況。針對(duì)本工程而言，y方向聯(lián)肢剪力墻數(shù)量在結(jié)構(gòu)中部數(shù)量急劇減少,導(dǎo)致分配到邊榀的兩跨剪力墻上內(nèi)力十分巨大。

4 連梁超筋的處理方法

調(diào)整超筋連梁的方法筆者歸結(jié)為兩大類：第一類是增強(qiáng)連梁自身的承載力。主要的方法有：增大連梁的截面；提高連梁的混凝土等級(jí)；加配斜向?qū)卿摻顏響?yīng)對(duì)連梁的抗剪超筋；采用型鋼混凝土連梁。第二類是降低超筋連梁的剛度從而降低其自身分?jǐn)偟降淖饔脙?nèi)力。這一大類里主要有下列幾種常見的方法：連梁剛度折減系數(shù)或者對(duì)連梁進(jìn)行塑性調(diào)幅；減小連梁的截面；連梁分縫形成雙連梁；通過調(diào)整相鄰跨剪力墻肢的剛度，從而卸載超筋連梁的內(nèi)力。

4.1 提高連梁抗剪承載力

4.1.1增大梁截面法

增加連梁的截面對(duì)連梁的抗剪承載力有顯著的提升。在工程設(shè)計(jì)中出于節(jié)省混凝土用量及增大使用面積等經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的角度考慮，通常會(huì)采用加大連梁的高度而不是加寬連梁的寬度。由于窗洞的限制，往往只能在窗洞上下各做一根梁形成雙連梁來增大梁的截面高度。

連梁不同于主要承受豎向荷載的框架梁，增加截面提高連梁抗剪承載力的同時(shí)也會(huì)因?yàn)檫B梁剛度的顯著增大而導(dǎo)致對(duì)相鄰墻肢的約束彎矩也迅速增加，其剪壓比未必能夠顯著降低。只有當(dāng)連梁截面已經(jīng)比較大時(shí)，通常是連梁的線剛度與相鄰墻肢較大線剛度之比大于1/3時(shí)，此時(shí)連梁已能很好地約束住相鄰墻肢，可以進(jìn)一步增大連梁的高度來嘗試降低其剪壓比。

4.1.2提高連梁混凝土等級(jí)

連梁的混凝土等級(jí)一般是與本層剪力墻的材料等級(jí)保持一致的?？紤]到經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及施工便利性等因素，本結(jié)構(gòu)剪力墻及連梁混凝土等級(jí)在C30～C45的范圍內(nèi)選用。試算模型混凝土等級(jí)為C35，如果改用C40，連梁的抗剪承載力將提升14%(根據(jù)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[2](以下簡(jiǎn)稱《混規(guī)》)表4.4.4-1及式(1))，同時(shí)如果忽略結(jié)構(gòu)豎直方向上樓層剛度的改變?cè)斐杀緦拥卣饍?nèi)力的變化，那么該連梁在提高混凝土等級(jí)后分到的地震剪力的效應(yīng)是不變的。

4.1.3在連梁中配置斜向鋼筋

《混規(guī)》11.7.10條指出對(duì)于抗震等級(jí)為一，二級(jí)且跨高比不大于2.5的連梁，除普通箍筋外，宜另配置斜向交叉鋼筋。配置了交叉鋼筋以后，不但連梁的剪壓比限制從原來的0.15調(diào)整至0.25，而且《混規(guī)》11.7.8條指出連梁強(qiáng)剪弱彎的剪力效應(yīng)增大系數(shù)可以減小為1.0。顯然配置斜向鋼筋能很好地解決連梁剪壓比超限問題。但是應(yīng)用條件對(duì)連梁的最小寬度有很高的要求，另外本工程連梁抗震等級(jí)為三級(jí)，因而此類方法不適用。

4.1.4采用型鋼混凝土連梁，鋼板混凝土連梁

按照CECS 230:2008高層建筑鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[3]第6.5.1條的規(guī)定，及JGJ 138—2016組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[4]第5.2.3條的規(guī)定，可以發(fā)現(xiàn)型鋼混凝土梁的剪壓比限制更高。但是型鋼混凝土構(gòu)件具有連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)復(fù)雜，造價(jià)高的劣勢(shì)，故一般住宅項(xiàng)目不推薦使用。

4.2 減小連梁的剛度從而降低連梁的剪力效應(yīng)

4.2.1減小梁截面法

與增大連梁剛度法相對(duì)應(yīng)，減小連梁截面降低其剪壓比通常都用在截面高度較小的連梁上。通常來說，在剪力墻住宅結(jié)構(gòu)中，與框架梁同高的連梁其線剛度與其相鄰墻肢的線剛度之比都是小于1/3的。因而如果此時(shí)連梁剪壓比超限，可以通過減小連梁的截面高度來嘗試降低其軸壓比。這也是《高規(guī)》7.2.26明確提出了在連梁剪壓比超限的情況下建議減小連梁截面高度來嘗試降低其軸壓比的原因。

4.2.2選用合適的連梁剛度折減系數(shù)或?qū)B梁進(jìn)行塑性調(diào)幅

連梁剛度折減系數(shù)的作用在《高規(guī)》5.2.1條文說明里提到：高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用彈性剛度參與整體分析，但是連梁剛度相對(duì)剪力墻較小，而承受的彎矩和剪力很大，配筋設(shè)計(jì)困難。因此，可考慮在不影響承受豎向荷載能力的前提下，允許其適當(dāng)開裂(降低剛度)而把內(nèi)力轉(zhuǎn)移到墻體上。

《高規(guī)》7.2.26條文說明提到連梁的塑性調(diào)幅可采用兩種方法:一是按照本規(guī)程5.2.1條的方法，在內(nèi)力計(jì)算前就將連梁剛度進(jìn)行折減；二是在內(nèi)力計(jì)算之后，將連梁彎矩和剪力組合值乘以折減系數(shù)。兩種方法的效果都是減小連梁內(nèi)力和配筋。同時(shí)，規(guī)范也規(guī)定了無論用哪種調(diào)幅方法，連梁調(diào)幅后的彎矩，剪力設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于使用狀況下的值，也不宜低于比設(shè)防烈度第一度的地震作用所得的彎矩、剪力設(shè)計(jì)值。其目的是避免在正常使用條件下或較小的地震作用下在連梁上出現(xiàn)裂縫。因此規(guī)范規(guī)定調(diào)幅后的梁端彎矩不小于調(diào)幅前按剛度不折減計(jì)算所得彎矩的80%，并不小于風(fēng)荷載作用下的連梁彎矩。《高規(guī)》7.2.26中說明了如果已按照《高規(guī)》5.2.1進(jìn)行過剛度折減的連梁其彎矩值不宜再按本條調(diào)幅，或限制再調(diào)幅范圍。此時(shí)，應(yīng)取彎矩調(diào)幅后相應(yīng)的剪力設(shè)計(jì)值校核其是否滿足0.15(跨高比小于2.5時(shí))的剪壓比限制；同時(shí)剪力墻中其他連梁和墻肢的彎矩設(shè)計(jì)值宜視調(diào)幅連梁數(shù)量的多少而相應(yīng)適當(dāng)增大。

4.2.3連梁分縫

連梁分縫是一種有效降級(jí)連梁剛度而不降低連梁抗剪承載力的方式。在連梁高度一半處設(shè)置一條通縫后形成的兩根連梁剛度的和約為原連梁剛度的1/4而總抗剪承載力幾乎不改變。另外分縫后的兩根連梁位置相近，能最大程度地使得分縫后的雙連梁內(nèi)力相近。大幅降低連梁剛度后能有效減小剪力墻對(duì)連梁兩端的約束彎矩。

第二類調(diào)整連梁剪壓比的方法，其本質(zhì)都是通過減小連梁兩端的剛度從而減小相鄰墻肢的作用在其上的梁端彎矩。然而由于普通住宅結(jié)構(gòu)的連梁線剛度與相鄰墻肢的線剛度之比通常很小，減小連梁線剛度后會(huì)使得相鄰剪力墻難以形成聯(lián)肢剪力墻共同抵抗水平力的作用，結(jié)構(gòu)的整體剛度會(huì)大幅降低，從而削弱結(jié)構(gòu)的層間位移角，位移比等整體指標(biāo)。

5 結(jié)語

把連梁1的下層梁截面由450 mm增加到950 mm高，連梁2的截面由1 000 mm減小到500 mm高，連梁3的尺寸未做改變，2層～13層的剪力墻及連梁的混凝土等級(jí)由C35提高到C40。經(jīng)驗(yàn)算，初算模型中的3處剪壓比超限連梁均不再超限，同時(shí)列出了初算模型及修改后的模型的層間位移角指標(biāo)，見表2。

表2 初算及修改后模型層間位移角指標(biāo)

連梁2的截面大幅減小的同時(shí)增大了連梁1的截面，使得這兩片聯(lián)肢剪力墻之間的地震內(nèi)力分配發(fā)生了變化，次邊跨的聯(lián)肢剪力墻所承擔(dān)的內(nèi)力急劇減小，從而實(shí)現(xiàn)了連梁3截面雖未做調(diào)整卻也滿足了剪壓比限制的要求。

連梁的合理設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)剪力墻結(jié)構(gòu)體系而言都十分重要。在保證結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)的前提下針對(duì)剪壓比超限的連梁，對(duì)其進(jìn)行剛度的調(diào)整，從而在各片聯(lián)肢剪力墻之間合理地分配水平力。所以，連梁剪壓比超限的調(diào)整不僅僅限于超限部位局部，更是與整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的合理設(shè)計(jì)有著極大的關(guān)系。