结构设计中的连梁设计及超筋问题的浅探

1、结构设计中的连梁设计及超筋问题的浅探    一、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(即剪切破坏)，第二种属于延性破坏(即弯曲破坏)。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

2、大大降低，结构变形加大，并且进一步增大重力二阶效应(竖向荷载由于水平位移而产生的附加弯矩)，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（地震作用下会表现为交叉裂缝），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。 二、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，在正常的使用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。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（刚度

3、折减后的连梁及相应的剪力墙的配筋计算结果暂称为） (1)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。1高规中关于连梁刚度折减系数的取值范围比较含糊，没有区分抗震和非抗震两种情况。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。在超载时，如发生强大的阵风力或地震烈度超过多遇地震烈度时，塑性铰就会出现更早，所以要加强连梁的延性并且使连梁符合强剪弱弯要求。对位移由风荷载控制的建筑，为避免连梁在使用荷载作用下

4、裂缝开展过大，连梁刚度折减系数不宜小于0.8。 (2)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(包括计算中连梁刚度折减和对计算结果的后期调幅)后的弯矩设计值不宜小于调幅前(完全弹性)的0.8倍(6、7度时)和0.5倍(8、9度时)。2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、

5、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。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

6、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（连梁铰接处理后的连梁及相应剪力墙的配筋计算结果暂称为）。这时我们应注意: (1)事实上，通过采取恰当的构造措施可确保连梁对剪力墙的约束不完全丧失，避免出现独立墙肢。 (2)调整的连梁为其破坏对承受竖向荷载无明显影响的连梁，即该连梁不作为次梁或主梁的支承梁。 (3)此计算为第二次，是对剪力墙进行包络设计的

7、重要步骤之一。 (4)实际操作中，经常会出现将某根超筋连梁进行铰接处理后，引起其他位置原来不超筋的连梁超筋。但是总的原则是建立合理的模型并尽可能不超筋。 三、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“二.6”的方法对连梁进行计算处理后，结构的侧向位移不能满足规范要求，即层间位移角已不符合混凝土高规表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“二.6”的方法调整效果不好时（即多次调整都不能杜绝上述第“二.6.4”情况的出现），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（既没有按真实截面

8、弹性方法计算的那么大，也不是完全铰接，而是具有一定转动约束的塑性铰），在结构分析中采取降低连梁计算截面（但施工图的实际截面仍采用原有连梁截面尺寸）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（V1按混凝土高规第7.2.23条计算）。注意此时程序可能仍然判断为超筋（V3>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。这时我们应注意: (1)此调整仅适合破坏后对承受竖向荷载无明显影响的连梁，即连梁不作为次梁或主梁的支承梁。 (2)此调整方法不宜作为首选方法，仅适用于上述的特殊情况。 (3)此调整计算也属

9、于第二次，是对剪力墙进行包络设计的重要步骤之一。 2、连梁计算处理后的分析及相应的配筋设计 (1)情况一，连梁调幅处理后（计算结果），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。 (2)情况二，对连梁进行计算处理后（计算结果），当结构位移仍能满足规范要求，即层间弹性位移角符合混凝土高规表4.6.3要求时。剪力墙配筋应进行包络设计，配筋取计 (3)情况三，降低连梁截面进行计算（计算结果），剪力墙配筋应进行包络设计，配筋取计算结果、的较大值。连梁则按实际截面出图，即计算结果的截面，按连梁所能承受的最大剪力V1及计算结果相应弯矩M3进行配筋，此时连梁仍能满足强剪弱弯的要求。之

10、所以可以这样处理，是因为当连梁承受的实际弯矩达到M3后，连梁端部达到最大弯矩承载力，形成塑性铰后连梁变形加大而弯矩不再增加，因此剪力仍能保持为V3，不会超筋。此时应注意，当模拟连梁的计算截面取值过小（从计算结果中表现为V3小于V1过多）时，常出现纵向钢筋的折算值不满足最小配筋率要求，此时应适当加大至满足最小配筋率要求。 (4)实际纵向钢筋配置时可采用简化方法，根据实际连梁与计算连梁有效高度的比值，3对计算的连梁纵向钢筋面积（计算结果）进行调整（应同时满足最小配筋率要求）。有文献提出按混凝土高规式（7.2.22-1）反算连梁梁端弯矩的方法（简称反算法），但是笔者认为反算法尚存以下不足之处：(a)

11、反算法假定连梁两端弯矩相等，但当连梁两端墙肢截面刚度差异较大时，此假定误差也大，反算结果是否合理值得商榷；(b)采用反算法，补充计算工作量大，作为一种近似计算方法，实用意义不大。 (5)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（混凝土高规第7.2.23条）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。 非抗震设计时，按混凝土高规式(7.2.23-1)右式与式(7.2.24-1)右式相等。 抗震设计，跨高比大于2.5时，按混凝土高规式(7.2.23-2)右式与式(7.2.24-2)右式相等。 抗震设计，跨高比不大于2.5时，按混凝土

12、高规式(7.2.23-3)右式与式(7.2.24-3)右式相等。 五、结束语 综上所述，高层建筑剪力墙结构体系在水平力作用下，连梁的内力往往很大。在结构合理的体系情况下，设计时，即使采取了降低连梁内力的多种措施，对局部内力过大楼层的连梁进行调整时，仍难使连梁的设计符合要求。由于设计、构造不当造成结构在抵抗水平力时的强度、刚度不符合要求，进而影响承受竖向荷载的能力。所以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 1中国建筑科学研究院.JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程s.