下面我们来认识一下连梁。
在剪力墙结构、框架-剪力墙结构及筒体结构中,连接墙肢与墙肢的梁称为连梁。连梁的特点是截面大,跨度小,与之相连的墙体刚度一般都很大。在水平荷载(风或地震荷载)作用下,连梁内力也很大。同时在高层建筑中,连梁两端墙肢的不均匀压缩,会引起连梁两端的竖向位移差,这个差值也会引起连梁内力。下面以双肢墙为例说明连梁的受力机理:
离地面距离为X的某一水平截面处的弯矩为M,则由平衡条件可知:
M=(M1+M2)+Na。
M1、M2——单片剪力墙所承担的弯矩
Na——由两片墙肢整体工作的组合截面所承担的弯矩,即整体弯矩。N为墙肢轴力,一肢受拉,一肢受压;a为两片墙肢形心间的距离。
由上述公式可见:1)任意截面X的弯矩M是由局部弯矩(M1+M2)和整体弯矩Na两部分组成的,整体弯矩大,局部弯矩就小。
2)任意一个截面上的整体弯矩等于该截面以上所有连梁约束弯矩的总和。
因此可以说,整体弯矩由连梁提供;整体弯矩越大,说明两个墙肢共同工作的程度越大,越接近于整体墙。所以整体弯矩的大小反映了墙肢之间协同工作的程度,这种程度称为剪力墙的整体性。因为整体弯矩是由连梁对墙肢的约束提供的,在水平荷载(地震或风荷载)作用下,墙肢产生弯曲变形,使连梁产生转角,从而使连梁产生内力,而连梁端部的弯矩、剪力和轴力同时减小了墙肢的内力和变形,共同承担墙肢总弯矩。
下面我们再看一下连梁的破坏形态,高层建筑在水平荷载作用下,连梁的破坏形态有两种:a.剪切破坏(脆性破坏);b.弯曲破坏(延性破坏)。连梁发生剪切破坏,产生十字交叉裂缝,丧失承载力,连梁退出工作,墙体总弯矩将内力重分配,全部由墙肢承担。各墙肢丧失了连梁对它的约束作用,成为单片的独立墙肢,刚度大大降低,变形加大,并且进一步加大墙肢的P—⊿效应,从而导致墙体倒塌。连梁发生弯曲破坏即延性破坏后,梁端出现垂直裂缝,受拉区出现微裂缝,在梁端形成塑性铰,结构刚度降低,变形加大,从而吸收地震能量,但是塑性铰能承受一定的弯矩和剪力,起到约束墙肢的作用,使剪力墙保持良好的刚度和强度,在这一过程中连梁起到耗能作用,在地震荷载作用下这种裂缝不断加宽发展,直至混凝土受压破坏。由此可见,连梁对剪力墙延性起到至关重要的作用。所以我们在结构设计中应注意连梁的处理。
3 连梁的合理设置问题
目前,有一些工程尤其是下部几层为商业网点上部为住宅的剪力墙结构,为降低工程造价不做转换结构,剪力墙开洞较大,均是跨高比大于5的框架梁,梁的刚度较小,结构整体刚度也较小,地震作用也较小,这类结构从现行规范条文来看没有什么毛病,结构的经济性也较好,但仔细分析这类结构,其受力和变形特性接近框架结构,当层数较多时对抗震是不利的,宜避免。合理的剪力墙结构应该是强弱连梁合理搭配,不能全部为强连梁,否则结构刚度过大,反而引起地震作用更大,结构成本无端增加。但也不能全部为弱连梁,否则整个结构缺少耗能构件,不能成为延性结构,没有多道防线,与我们抗震设防目标不符。级配合理是指强弱连梁合理搭配,大震下,弱连梁退出工作,仅作为连杆传递水平力,线刚度较大的强连梁继续耗能,使得结构具有较高的延性。
4 连梁与框架梁的区别
二者的主要区别在跨高比,跨高比小于5的为连梁,其变形特征为剪切变形,在反复荷载作用下斜裂缝扩展到全对角线,发生剪切破坏。跨高比大于5的梁为框架梁,其变形特征为弯曲变形。实际设计时,在结构模型中将跨高比大于5的按框架梁输入,跨高比小于2.5按洞口输入,跨高比在2.5~5时酌情处理,但构造应与计算相结合。
5 连梁的超筋问题
连梁的超筋问题是我们在结构设计中经常遇到的问题,而且有时束手无策,遇到连梁超筋时,我们不能马上调整,应仔细分析超筋原因,然后对症下药,不能“头疼医头脚疼医脚”,如果遇到某一或二层连梁超筋,我们可以调低本层连梁刚度,调高其他楼层连梁刚度,将地震力重新分配,解决连梁超筋问题。当连梁截面抗剪承载力不满足高规7.2.22要求时我们应采取以下措施:
1)加大洞口宽度,增加连梁的跨度。2)降低连梁的刚度,考虑在水平力作用下,连梁由于开裂而刚度降低,故在进行弹性内力分析时,适当降低连梁刚度。连梁的刚度折减系数6、7度时可取0.7,8、9度时可取0.5,并不宜小于0.5,以保证连梁承受竖向荷载的能力。连梁刚度降低,内力转移到墙体上,但是应注意折减系数不得小于在平时使用荷载作用下的内力,也就是说在竖向荷载和风荷载作用下的内力,特别是风荷载比较大的地区。否则平时连梁可能开裂,影响正常使用,在这种情况下,我们可以考虑不折减连梁刚度,并按设防烈度6度的情况进行验算。3)增加墙体厚度,也就是增加连梁的宽度,而增加墙厚所产生的地震力不按墙厚比例分配给墙体,而是小于这个比例,所以承载力不超限。4)提高混凝土强度等级,混凝土强度提高,则其抗剪强度提高。5)设置成双连梁,采取在连梁中部设置水平缝的办法,将整个截面高度的连梁分割成两个截面高度相等的小截面连梁,即连梁按抗剪截面相等的原则等效。等效后宽度为小截面连梁宽度的2倍,高度与小截面连梁相等。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(即连梁不作为次梁或主梁的支承梁)时,将连梁两端按铰接处理,在大震下,连梁退出工作,内力重新分配独立墙肢,所以独立墙肢按第二次多遇地震作用下的结构内力分析,墙肢按两次计算所得的较大内力进行配筋设计,保证墙体安全。
6 结语
综上所述,连梁对高层剪力墙结构至关重要,是高层剪力墙结构的刚度调节器,是高层剪力墙的耗能元件,是结构的延性控制器。我们遇到超筋时,决不能置之不理,应该仔细分析原因,某些结构连梁超筋层数不多或超出较小时才可以不理,否则造成平时使用时连梁开裂,或在小震情况下连梁开裂,容易引起业主恐慌,而且与“小震不坏”的抗震设防目标不一致。
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