摘要:本文首先分析了连梁的破坏机理,进而论述了剪力墙连梁设计满足“强剪弱弯”原则须注意的事项,最后阐述了连梁的构造要求、截面设计及配筋计算,以供参考。
关键词:高层建筑;剪力墙;连梁;设计
在高层建筑剪力墙结构和框架中,连接墙肢与墙肢,墙肢与框架柱的梁称为连梁。连梁一般具有跨度小、截面大,与连梁相连的墙体刚度又很大等特点。一般在风荷载和地震荷载的作用下,连梁的内力往往很大。因此,在设计中须采取一些措施来降低连梁的内力,在本文中,主要对高层建筑剪力墙连梁设计进行了研讨,并提出了相应的设计建议,以供参考。
1 连梁的破坏机理
高层建筑剪力墙中的连梁在水平荷载作用下的破坏可分两种,即脆性破坏(剪切破坏)和延性破坏(弯曲破坏)。
脆性破坏:当沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时,各墙肢丧失了连梁对它的约束作用,将成为单片的独立梁,这会使结构的侧向刚度大大降低,变形加大,墙肢弯矩加大,并且进一步增加P―效应(竖向荷载由于水平位移而产生的附加弯矩),并最终可能导致结构的倒塌。
延性破坏:连梁在发生延性破坏时,梁端会出现垂直裂缝,受拉区会出现微裂缝,在地震作用下会出现交叉裂缝,并形成塑性绞,结构刚度降低,变形加大,从而吸收大量的地震能量,同时通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力,对墙肢起到一定的约束作用,使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。在墙肢破坏前,只要所考虑的连梁不承担较大的竖向荷载,就不会造成结构的倒塌。但在地震反复作用下,连梁的裂缝会不断发展、加宽,直到混凝土受压破坏。
2 剪力墙连梁设计满足“强剪弱弯”原则须注意的事项
2.1关于连梁刚度或弯矩设计值的折减
根据JGJ3-1991《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》中的规定:“在内力与位移计算中,所有构件均可采用弹性刚度,在框架一剪力墙结构中,连梁的刚度可予以折减,折减系数不应小于0.55。”一般在实际设计中,连梁刚度的折减系数一般在0.55~l之间取值,以符合截面设计的要求。
按连梁弹性刚度计算内力和位移,将弯矩和剪力组合乘以折减系数,用这种方法时应适当增加其他连梁的弯矩设计值,以补偿静力平衡。
2.2 加连梁跨度减少高度
在连梁设计中,刚度折减后,仍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,以减少连梁刚度。减少了结构的整体刚度,也就减少了地震作用的影响,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。调整的幅度不宜大于20%,且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。
2.3增加剪力墙厚度
亦即增加连梁的截面宽度。在增加了剪力墙厚度后,结构的地震作用所产生的内力分配给剪力墙的比例远小于剪力墙墙厚增加的比例,有可能使连梁的受剪承载力不超限。
2.4 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。
2.5 对于由风荷载起控制作用的高层建筑中如果对连梁采取了刚度折减后,仍 出现受弯或抗剪承载力不够时,不宜再调整连梁内力,应采取下列几点措施:
1.增加剪力墙的厚度即增加连梁截面宽度,提高剪力墙刚度的同时亦提高连梁的抗剪能力;
2.增加剪力墙数,以减少每片剪力墙的水平力;
3.加大洞口宽度以加大连梁跨度;
4.减少连梁截面高度或在连梁中部开水平缝等,以降低连梁刚度。
2.6 对于地震力为控制性内力的高层建筑中如连梁刚度进行折减后,仍发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够时,应采取下列几点措施:
1. 若结构刚度较大,位移比规定的限值小得多,而超筋或超限的连梁数量较多时,可采取加大连梁洞口尺寸,减小连梁截面高度等方法,减小连梁内力;
2.如果只是部分连梁超筋或超限,可采取调整连梁内力方法解决,调幅不宜超过20%,在调整连梁内力时必须满足强剪弱弯的设计原则。
3 连梁的构造要求
3.1连梁的顶面、底面纵向受力钢筋伸入墙肢内的锚固长度la,抗震设计时不小于laE,非抗震设计时不应小于la,且不应小于600mm;
3.2抗震设计时,沿连梁全长箍筋的构造,应按框架梁梁端加密区箍筋的构造要求采用;非抗震设计时,沿连梁全长的箍筋直径,不应小于6mm,间距不应大于150mm;
3.3 顶层连梁的纵向钢筋伸入墙肢内的长度范围内,应配置间距不大于150mm的构造箍筋,箍筋直径应与该连梁的箍筋直径相同;
3.4 墙肢的水平分布钢筋,应作为连梁的腰筋,在连梁高度范围内拉通连续配置;当连梁截面高度大于700mm时,其两侧面沿梁高度范围设置的纵向构造的钢筋(腰筋)的直径,不应小于10mm,间距不应大于200mm;对跨高比不大于2.5的连梁,其梁两侧的纵向构造钢筋(腰筋)的面积配筋率,不应小于0.3%。
3.5 按1,2级抗震等级设计的剪力墙结构,连梁跨高比≤2.5,且连梁的截面宽度不小于200mm时,除设置纵向钢筋和箍筋外,宜设置斜向交叉构造钢筋,以提高连梁的延性,并减缓非弹性变形阶段的刚度退化。斜向交叉钢筋的直径≥14mm,与连梁箍筋绑扎固定。
4 连梁截面设计及配筋计算
4.1 连梁截面设计
根据清华大学及国内外试验研究得到:连梁截面内平均剪应力对连梁破坏性能影响较大,尤其在小高跨比条件下,因此规程对截面尺寸提出要求,限制截面平均剪应力,对小高跨比连梁限制更严格。
4.1.1 非抗震设计
Vb≤0.25cƒcbbhbo
4.1.2 抗震设计
连梁跨高比大于2.5时:
Vb≤(0.20cƒcbbhbo)
连梁的跨高比小于2.5时:
Vb≤(0.15cƒcbbhbo)
式中,Vb――连梁剪力设计值;
bb――连梁截面宽度;
hbo――连梁截面有效高度;
c――混凝土强度影响系数;
ƒc――混凝土轴心抗压强度设计值;
――构件承载力抗震调整系数。
4.2 连梁的配筋计算
过去,常采用斜交叉配筋方式,但实践证明,斜交叉配筋方式并不能改变其剪切脆性破坏的属性。为满足设计要求,建议采用菱形配筋方式,即其计算方式如下:
4.2.1 正截面承载力计算
Mu≤Asƒycos a(ho-a′s)+Asƒy(ho-a′s)
=Asƒy(1+cos a)(ho-a′s)
式中,As――单根主钢筋的截面积;
n――主钢筋根数(由于主斜钢筋和主水平钢筋成对出现,故n为偶数);
a――主斜钢筋与连梁水平轴线之间的夹角;
h――连梁截面有效高度。
4.2.2 斜截面承载力计算
菱形配筋连梁的抗剪承载力Vcs由混凝土、横向钢筋(箍筋)和主钢筋斜向段等 3部分所承担的剪力值组成,可按下式计算:
Vcs=0.03ƒcbho+0.07ho+nAsvƒysina
式中:Vcs――菱形配筋连梁的抗剪承载力;
b――连梁截面宽度。
在具体的设计时,为防止连梁发生剪切破坏,需提高连梁的抗剪承载力,为此在计算中引入强屈比来适当调整剪力设计值,即:
Ky・V≤Vcs
式中:Ky――强屈比,即连梁截面的最大破坏剪力与纵筋屈服时的剪力之 比,建议取Ky为1.10;
V――作用在连梁端截面的剪力设计值。
5 结束语
综上所述,高层建筑剪力墙连梁的设计受很多因素的制约。连梁的内力和剪力墙的多少、每片剪力墙的水平力大小、连梁的刚度、与之相连的墙肢刚度等都有关。因此在设计时,应尽量遵循“强剪弱弯”的原则,并合理选取连梁的截面和合理计算连梁的配筋,以期取得比较理想的结果。
参考文献:
[1]陈峰,张旭.关于高层建筑剪力墙连梁设计的探讨[J].科技促进发展,2010,(8).
[2]丁洁,宋凯. 高层剪力墙中连梁的设计建议和配筋计算[J].中国科技纵横,2010,(16).
[3]孙雪兰,马致远,白凤娟.浅谈高层剪力墙中连梁的设计应注意的问题[J].山西建筑,2009,(18).
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-579965.htm