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基于概念設計的剪力墻結構連梁處理建議

發表于:2019-05-23 來源:中國鋼結構網   瀏覽次數:

  剪力墻洞口連梁既起著調節和保證剪力墻側向剛度的作用,又是抗震剪力墻的第一道防線,起著消耗地震能量的作用。具有合適強度、剛度和良好變形性能的連梁的剪力墻,在遭受強烈地震時,多數連梁在墻肢屈服之前先屈服,發揮其塑性變形能力,耗散地震能量,有效減輕主體結構構件的損壞。

  在剪力墻結構和框一剪結構中,連接墻肢與墻肢、墻肢與框架柱的梁稱為連梁。本文只討論連接墻肢與墻肢的連梁。

  1、連梁的設計方法的討論

  1.1連梁剛度的折減

  由于《高規》沒有明確說明考慮抗震和不考慮抗震時的折減系數的取值范圍。也沒有說明所考慮的連梁是以承受水平荷載為主還是豎向荷載為主的不同情況。這就造成有的設計者為了解決連梁截面設計問題,就在1~0.55的范圍內任意取值,以符合截面設計要求。

  應該認清,所以考慮對連梁的剛度進行折減,是由于在側向荷載作用下,混凝土的開裂引起了剛度的降低。在地震作用下,連梁的裂縫開展和塑性變形比在風荷載作用下的更大。因此,剛度降低的更多。但是,剛度折減得越多,亦即取用的折減系數越小,意味著設計荷載作用下裂縫開展的越大。在超載時,如發生強大的陣風或罕遇地震烈度時,塑性鉸也會出現得更早。這就要求更加注意加強連梁的延性和使連梁符合“強剪弱彎”的要求。

  對于以風荷載為控制因素的建筑中,為了避免連梁在使用荷載作用下裂縫開展過大,剛度折減系數應取較大值。對于以地震作用為控制因素的建筑中,則可取較小的剛度折減系數,但為了保證連梁的延性要求,此剛度折減系數不應小于0.55。此外,在計算豎向荷載作用下的內力時,對己經考慮了調幅的連梁,不應再進行剛度折減了。

  1.2連梁剛度采用折減系數后,部分連梁的承載力不符合要求的處理

  《高規》第五章截面設計和結構構造的第5.3.6條規定:當聯肢剪力墻中某幾層連梁的彎矩設計值超過其最大受彎承載力時,可降低這些部位的連梁彎矩設計值,并將其余部位的連梁彎矩設計值相應提高,以滿足平衡條件。經調整的連梁彎矩設計值,可均取為最大彎矩連梁調整前彎矩設計值的80%。首先,連梁彎矩設計值是包括豎向和水平兩部分荷載所產生的內力的。豎向荷載產生的彎矩己通過負彎矩的調幅進行了調整。而且,豎向荷載作用下連梁的負彎矩也不能通過提高其他構件的彎矩來調整。因此,此處所說的彎矩調整不應該包括豎向荷載產生的彎矩在內。

  其次,之所以允許對連梁的彎矩進行調整,是建立在連梁受彎達到一定程度時就會屈服。在己經對連梁的剛度進行了折減后,再對彎矩進行調整,勢必使連梁的塑性鉸提前發展。因此,對連梁的剛度已經充分折減時,彎矩的調整不宜過大。同樣,當為風荷載控制時,在對連梁剛度進行折減后,連梁的彎矩設計值不宜再進行調整。

  在進行塑性內力重分布時,平衡條件是必須滿足的。但用提高其他部位連梁的彎矩來滿足平衡條件是否合理,值得商議。假定除超筋的那些連梁外,其他所有的連梁和墻肢均未產生塑性鉸。則由于墻肢一般有相當大的剛度,內力的重分布將由墻肢承擔較大的比例。只有當墻肢屈服了,全部不平衡彎矩才會通過墻肢的軸力向上下層的連梁轉移。而墻肢的屈服一般晚于連梁的屈服。因此,不應簡單的將不平衡彎矩向連梁轉移。同時,連梁彎矩的增加是伴隨著剪力同時增加的。因此,在增大連梁的彎矩設計值時,也應同時增加連梁的剪力設計值。

  1.3關于個別連梁經過各種調整后仍然超筋的處理

  剪力墻是一個多次超靜定結構。個別構件或節點的破壞還不會影響整個結構的安全。所以,大部分設計者對個別連梁經過各種調整后仍然超筋的處理就是,按最大配筋率、最大配箍率把連梁配足,然后將不足的內力向墻肢轉移。本人認為,不區別情況的處理是不妥的。如前所述,內力的轉移是以結構的相應部位產生塑性鉸為前提的。對連梁來說,要產生塑性鉸,就必須符合“強剪弱彎”的條件。如果盲目的按最大配筋率把連梁的縱筋配足,可能會導致剪切破壞的產生。此時,連梁將較早就喪失其承載能力。這時,如果該連梁還有相當的豎向荷載作用,就會導致結構的部分倒塌。這是不能允許的。

  2、連梁設計建議

  (1)在內力和位移計算時,要區別豎向荷載作用下和水平荷載作用下兩種不同情況。在豎向荷載作用下,連梁的剛度不宜折減,連梁支座彎矩的降低可以通過支座彎矩調幅來解決。在水平荷載作用下,連梁的剛度可以折減。當風荷載作用時,折減系數不宜小于0.8。當地震作用時,折減系數不應小于0.55。

  (2)對于由風荷載控制的高層建筑,如果對連梁采取剛度折減后,仍發生連梁的正截面受彎承載力或斜截面受剪承載力不夠時,不宜再調整連梁的內力。而應采取前邊所說的幾種方法來降低連梁的內力,使連梁內力符合截面設計要求。

  (3)對于地震作用控制的高層建筑,如果對連梁采取了剛度折減后,仍發生連梁的正截面受彎承載力或斜截面受剪承載力不夠時,則可區別不同情況,采取相應的措施:

  如果只是部分連梁超筋或超限,則可采取調整連梁內力的方法來解決。調幅的幅度不宜大于20%,且連梁必須滿足“強剪弱彎”的要求。不管是什么抗震等級,都應按連梁實配的縱向鋼筋,并考慮超強因素后,反算出連梁的內力,在沒有發生剪壓比超限的情況下配置足夠的箍筋。超筋或超限的連梁所不足的內力應在符合平衡條件下,按內力重分布的方法調整各層墻體和連梁的內力。如果結構的剛度較小,則不應再對其連梁的內力進行調整,而應采取增加剪力墻厚度或增加剪力墻的片數等方法,以減小連梁的內力,使之符合要求。

  (4)地震區高層建筑的剪力墻連梁,在進行了上述調整后,仍有部分不符合承載力要求時,可取連梁截面的最大剪壓比限值確定剪力。然后按“強剪弱彎”的要求,配置相應的縱向鋼筋。此時,如果不能保證連梁在大震時的延性要求,應將這些連梁按鉸接于剪力墻上考慮,重新計算整個結構。必要時,應做彈塑性時程分析。如果所討論的連梁還承受較大的豎向荷載。則為了避免由于連梁端部的破壞造成結構的局部倒塌,應調整結構布置,使連梁的承載能力符合要求。

  (5)高層建筑剪力墻連梁的設計受到很多因素的制約。連梁的內力與剪力的多少、每片剪力墻承擔的水平力大小、連梁的剛度、與之相連的墻肢剛度等都有關。對抗震設計來說,除了驗算在多遇地震時的截面承載力外,還應該考慮罕遇地震時的屈服性能。而內力的調整又與破壞機制密切相關。所有這些,都是在設計時應該綜合考慮的。問題是復雜的,但設計時調整的自由度也是很大的。希望上述的這些理論和方法能夠對設計人有所幫助,在設計時把這些互相制約的因素統一協調,取得比較完美的結果。

  3、結語

  高層建筑剪力墻結構中的連梁設計,常受到很多因素的制約,連梁的內力與結構抗側力剛度、相連墻肢的剛度、連梁跨高比等因素有關。抗震結構還應考慮非彈性變形階段,連梁是首先屈服的構件,應調整內力,避免剪力墻在彎曲屈服前出現剪切破壞,控制好結構最終形成延性破壞的措施。上述均需要結構設計人員在不斷的分析、協調、總結的基礎上,才能取得比較滿意的結果。

  參考文獻:

  [1]JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

  [2]GB 50011—2001,建筑抗震設計規范[S].

  [3]彭偉.高層建筑結構設計原理[M].成都:西南交通大學出版社.2004.

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