高层建筑混凝土剪力墙连梁的设计计算及超筋处理

高层建筑混凝土剪力墙连梁的设计计算及超筋处理

刘辉飞

广东佰为建筑设计有限公司广东梅州514000

摘要：为了满足结构功能需要，提高建筑工程施工效益，文章分析了剪力墙结构体系的连梁受力和变形机理，就混凝土剪力墙连梁的设计计算及超筋处理措施展开探究，并提出相关设计建议，供广大结构设计人员参考。

关键词：剪力墙连梁；设计计算；超筋处理

随着社会经济的高速发展，建筑施工的规模越来越大，高层建筑的施工建设如雨后春笋般涌现。其中，高层建筑以钢筋混凝土剪力墙结构为主要结构形式，连梁是连接剪力墙墙肢之间的重要构件，也是剪力墙结构中抗震设计的第一道防线，所以连梁的设计是剪力墙结构抗震设计中应该重点关注的环节。

1.连梁定义

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）［1］（简称高规）第7.1.3条文说明指出，连梁是指两端与剪力墙在平面内相连的梁。在剪力墙结构、框架-剪力墙结构以及框架核心筒结构等结构体系中，两端都与剪力墙相连，并且与剪力墙在平面内相连的钢筋混凝土梁才称之为连梁。需要特别说明的是，一端支承在剪力墙上，另一端支承在框架柱的梁，一般不作为连梁考虑，应作为普通梁考虑。

2.连梁受力和变形

在高层混凝土剪力墙结构体系中，连梁计算的调整相当频繁，跨度一般都比较小。和普通框架梁在受力特点上的明显区别是：1）竖向荷载下连梁产生的弯矩和剪力一般较小，而水平风荷载或者水平地震作用下剪力墙墙肢产生变形，连梁梁端产生相对转动，使得连梁产生弯矩和剪力；2）连梁端部的弯矩、剪力和轴力反作用于墙肢，使墙肢、连梁形成共同作用，减少了墙肢的内力和变形，对墙肢起到了一定的约束作用，改善了墙肢的受力状态。

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）。连梁在发生脆性破坏时就丧失了承载力，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其的约束作用，将成为单片的独立梁。这会使结构的侧向刚度降低较大，变形增大，墙肢弯矩增大，并且进一步增加P-Δ效应，最终可能导致结构的倒塌。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，并形成塑性铰，结构刚度降低，变形增大，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，对减小墙肢内力、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、加宽，直到混凝土受压破坏。

3.实例分析

高规中第7.1.3条规定“跨高比不小于5的连梁宜按框架梁设计”，故这类连梁宜按框架梁输入计算，并且可称这类梁为框架式连梁或“弱连梁”。《全国民用建筑工程设计技术措施结构（混凝土结构）》（2009年版）第5.1.14条将跨高比不大于2.5且梁高不小于400mm的连梁称为“较强连梁”（简称为强连梁）。故本文将连梁分为三大类：强连梁（跨高比≤2.5且梁高＞400mm的连梁）、连梁（2.5＜跨高比＜5的连梁）、弱连梁（跨高比≥5的注：LL1为连梁；LL2，LL3为强连梁；LL4为弱连梁。图1某住宅标准层平面布置图连梁）。《建筑抗震设计规范应用与分析GB50011—2010》中建议当实际连梁截面高度＜400mm且连梁跨度也较小时，也应判定为弱连梁。连梁一般情况下截面大、跨度小，且与其相连的墙体刚度大，因此在水平力作用下连梁内力往往很大，特别是抗震设防烈度较高时，连梁容易出现超筋现象。高规和《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）（简称抗规）等给出了一些处理方法：1）减小连梁截面高度或采取其他减小连梁刚度的措施；2）剪力墙连梁的弯矩可塑性调幅（在内力计算前将连梁刚度进行折减或者在内力计算后将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数）；3）当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时，按独立墙肢的计算简图进行多遇地震作用下的内力分析，墙肢截面按两次计算的较大值进行配筋；4）跨高比较小的连梁，可设水平缝形成双连梁、多连梁，使其破坏形态从剪切破坏变为弯曲破坏；5）跨高比小的连梁配置斜向交叉暗撑，可以改善其抗剪性能。本文通过具体实例分析了连梁计算模型，进行单、双连梁的比较，提出具体做法构造，供实际工程参考。

3.1高层剪力墙结构实例分析

某28层住宅剪力墙结构，剪力墙抗震等级为二级，标准层层高为2800mm，其结构标准层平面布置如图1所示。运用PKPM系列软件对图1中的椭圆标注的剪力墙连梁LL1（连梁截面为250×400，跨度为1350mm，跨高比为3.4）、长方形标注的剪力墙强连梁LL2（连梁截面为250×750，跨度1800mm，跨高比为2.4）、LL3（连梁截面为250×1400，跨度为1800mm，跨高比为1.3）以及云线标注的剪力墙弱连梁LL4（连梁截面为250×450，跨度为2400mm，跨高比为5.3）分别按框架梁输入分析和按剪力墙开洞口方式输入分析，得出表1，2，3，4的计算结果。

3.1.1连梁计算模型分析

基于连梁是各墙肢协同工作的关键构件，其分析模型的合理性会影响到整个结构的分析结果，即不仅对连梁本身内力和配筋有很大影响，对整体结构刚度、周期、位移计算都有影响。

注：LL1为连梁；LL2，LL3为强连梁；LL4为弱连梁。

图1某住宅标准层平面布置图

连梁LL1按不同计算模型的计算结果对比表1

由表1可知，连梁截面高度≤400mm且连梁跨度较小时，弯矩按框架梁输入比按剪力墙开洞口方式输入大6.6%，剪力按框架梁输入比按剪力墙开洞口方式输入小32.0%。

由表2，3可知，连梁以及强连梁计算模型的不同对内力配筋影响很大：1）强连梁LL2，LL3的弯矩按剪力墙开洞口方式输入比按框架梁输入分别小19.9%，5.6%；2）强连梁LL2，LL3剪力按剪力墙开洞口方式输入比按框架梁输入分别小11.7%，11.7%。并且不同的输入方式对整体结构的周期、弹性层间位移角等都有影响，按剪力墙开洞口方式输入的结构周期、弹性层间位移角都较按框架梁输入的小1.35%，1.85%。

由表4可知，跨高比＞5的连梁，不同的计算模型对内力配筋影响很大，弯矩按框架梁输入比按剪力墙开洞口方式输入大39.6%，剪力按框架梁输入比按剪力墙开洞口方式输入小15.0%。还可知，跨高比＞5的连梁按两种模型输入对于结构周期和弹性层间位移角的影响不大。

由以上分析可知，剪力墙连梁跨高比的大小与连梁剪切变形密切相关。对于剪力墙连梁应根据连梁的强弱采用不同的计算模型。采用PKPM系列软件对剪力墙连梁设计进行如下方式处理：当连梁类型为强连梁以及连梁时，应采用墙开洞模型计算；当连梁类型为弱连梁时，应采用梁元模型计算。

3.1.2双连梁与单连梁计算模型分析

由抗规第6.2.13条文说明可知：抗震墙的连梁刚度折减后，如部分连梁尚不能满足剪压比限值要求，可采用双连梁、多连梁的布置。现就图1中的连梁LL3，利用PKPM系列软件设置双连梁进行计算结果比较，如表5所示。原单连梁截面为250×1400，跨度为1800mm，跨高比为1.3，现设双连梁为上下截面均为250×690，中间设缝的厚度为20mm。

单连梁、双连梁的计算结果对比表5

注：模型一为单连梁，模型二为双连梁，其中154，151分别为上下截面的弯矩，余同。

由表5可知，双连梁弯矩的和比单连梁小20.4%，双连梁剪力的和比单连梁小20.7%。由此可知，双连梁可以起到改变剪切破坏的作用，实现其延性破坏的目的。使用阶段连梁处于整体截面受力状态，刚度较大，可为墙肢提供较强的约束作用；强震下可变为上、下两个构件，由刚变柔，在弹性工作阶段以弯曲变形为主，进入弹塑性阶段后，发展成弯剪型，延性较好。反弯点位于跨中截面，荷载达到极限荷载之前，上、下两部分分别为偏心受压和受拉构件；极限荷载之后由于荷载反复作用，混凝土逐步退出工作，上、下两构件也随之转化为单独受弯构件，抗震性能优于普通连梁。当采用双连梁配筋时，构造详图见图2。注：双连梁指平法施工图中标注为“2LLXX（1）”的连梁。

图2双连梁构造详图

3.2框架-剪力墙结构连梁实例分析

某23层办公框架剪力墙结构，剪力墙抗震等级为二级，标准层层高为3800mm，其结构标准层平面布置如图3所示。

图3某办公楼标准层平面布置图

运用PKPM系列软件对图3中的椭圆标注的剪力墙连梁LL1（连梁截面为300×1300，跨度为3000mm，跨高比为2.3）、长方形标注的剪力墙强连梁LL2（连梁截面为300×600，跨度为2100mm，跨高比为3.5）按框架梁输入分析和按剪力墙开洞口方式输入分析，得到表6的计算结果。

由表6可知，不同的框架-剪力墙结构连梁计算模型对内力配筋的影响很大，连梁LL1，LL2弯矩按剪力墙开洞口方式输入比按框架梁输入分别小41.35%，5.45%，连梁LL1，LL2剪力按剪力墙开洞口方式输入比按框架梁输入分别大6.3%，7.27%。由以上分析可知，框架-剪力墙结构中连梁在PKPM计算软件中输入方式也有所不同：当连梁类型为强连梁以及连梁时，应采用墙开洞模型计算；当连梁类型为弱连梁时，应采用梁元模型计算。

连梁LL1，LL2按不同计算模型计算结果表6

4.结语

总之，钢筋混凝土剪力墙结构中连梁是建筑工程施工过程中重要的结构。为提高工程结构设计效果，必须要提高连梁结构设计重视，使连梁充当第一道抗震防线，弯曲破坏早于剪切破坏，增强其延性，避免结构损伤的发生，达到理想效果。文章结合工程实例分析剪力墙结构和框架-剪力墙结构两种建筑结构类型，就上述问题展开了探究，提出连梁计算模型和超筋问题的处理方法，具有一定的参考价值。

参考文献：

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[3]李长福，张红.剪力墙结构连梁设计中的细节处理[C]//建筑科技与经济学术论文集.2015.

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