高层建筑结构设计中及连梁超筋问题

高层建筑结构设计中的连梁超筋问题【摘 要】本文主要是对连梁的工作和破坏机理进行阐述，并对结构设计中的连梁设计以及超筋问题进行分析。【关键词】结构设计；连梁设计；超筋处理1、连梁的工作和破坏机理高层建筑在风荷载和地震力作用下，由于连梁两端的墙肢受到不均匀地压缩，在连梁两端产生竖向的位移差，并在连梁内产生内力。但是连梁端部的弯矩、剪力和轴力反过来减小了墙肢的内力与变形，对墙肢起到一定的约束作用，并改善了墙肢的受力。高层建筑剪力墙的连梁在水平荷载作用下的破坏可分两种，第一种属于脆性破坏，第二种属于延性破坏。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，各墙肢就丧失了连梁对它的约束作用，成为单片的独立剪力墙，从而造成结构侧向刚度大大降低，结构变形加大，并且进一步增大重力二阶效应，最终可能造成结构的倒塌。当连梁发生延性破坏时，梁端受拉区出现裂缝，并形成塑性铰变形，从而吸收大量的地震能量。而塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力，连梁仍能对墙肢起到一定的约束作用，使得剪力墙保持足够的刚度和强度。在这一过程中，连梁起到了一种耗能的作用，对减少墙肢内力，延缓墙肢屈服有着重要的作用。但在地震反复作用下，连梁的裂缝会不断发展和加大，直到连梁混凝土受压破坏。2、合理结构体系的连梁设计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，在正常的重力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。所以连梁的设计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：（1）连梁刚度的折减：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结构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。之所以考虑对连梁刚度进行折减，是由于在水平荷载作用下，连梁混凝土的开裂引起了刚度降低。而地震作用下，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。抗震设计时，剪力墙结构的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，经全部调幅后的弯矩设计值不宜小于调幅前的0.7倍(6、7度时)和0.5倍(8、9度时)。但是我们应该注意，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）加大连梁跨度、减小连梁截面高度。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，从而减小了地震作用的影响，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20%，且连梁必须满足强剪弱弯原则。（3）加大剪力墙厚度，从而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。（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。（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。（6）连梁的铰接处理。当连梁的破坏对承受竖向荷载无明显影响时，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、连梁超筋处理（1）对超筋连梁的计算处理(连梁在等弯矩情况下，截面替换后的连梁及相应剪力墙的配筋计算结果暂称为)。对采用上述第“2-6”的方法时连梁进行计算处理后，结构的侧向位移不能满足规范要求，即层问位移角已不符合高规表4.6.3要求，且确无其他手段加大结构的侧向刚度时；或者采用第“2-6”的方法调整效果不好时，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，在结构分析中采取降低连梁计算截面的方法。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即可。注意此时程序可能仍然判断为超筋(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。（2）连梁计算处理后的分析及相应的配筋设计情况一，连梁调幅处理后，计算结果满足规范要求。剪力墙直接按计算结果配筋，连梁按计算结果配筋。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高规表4.6.3要求时。情况三，降低连梁截面进行计算，剪力墙配筋应进行包络设计，配筋取计算结果的较大值。按连梁能承受的最大剪力配置箍筋的公式可以推导根据连梁的截面要求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。4、结论总而言之，合理地进行连梁设计与超筋处理尤显重要。但是由于连梁属于剪力墙结构体系，所以我们要使其互相制约的因素协调起来，让分析模型尽可能合理，并真实地反映出结构受力状态，以取得较为理想的效果。参考文献1gb 50011-2001.建筑抗震设计规范s.2001.2jgj 3-2002.高层建筑混凝土结构技术规程s.2002.