建筑工程論文發(fā)表淺議剪力墻雙連梁設計

　　摘要：通過對雙連梁和單連梁受力等效簡化分析比較，研究雙連梁和單連梁在水平荷載作用下的受力性能。分析雙連梁的自振周期、最大剪力、最大彎矩等特性, 尋求其隨連梁跨高比、上下連梁間距變化的規(guī)律,?？偨Y(jié)雙連梁在實際工程應用中的優(yōu)點和存在的不足。分析結(jié)果說明雙連梁能夠很好地降低連梁的內(nèi)力, 雙連梁在改善高層建筑受力性能中有著優(yōu)良的表現(xiàn), 是一種不錯的連梁方案。

　　關鍵詞：雙連梁,自振周期,最大剪力,最大彎矩,跨高比

　　一、前言

　　連梁一般指兩端與剪力墻相連且跨高比小于5的梁。一方面, 水平荷載作用下, 剪力墻墻肢產(chǎn)生變形, 連梁兩端產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動, 連梁產(chǎn)生剪力和彎矩;另一方面, 連梁的彎矩、剪力反作用于墻肢, 使墻肢、連梁形成共同作用, 從而改善墻肢的受力狀態(tài)。連梁通常根據(jù)小震彈性, 中震屈服等原則設計, 使其作為抗震耗能的第一道防線,從而避免墻肢過早的發(fā)生破壞。因此合理設計的連梁，對于改善剪力墻的受力性能有重要的作用。但有時連梁設計中常常存在截面最大抗剪承載力不滿足要求的問題, 為此通常增大剪力墻的洞口寬度，對連梁剛度進行折減、調(diào)幅等方法以降低連梁的內(nèi)力。但在很多時候連梁仍然會超筋, 因此探尋一種新型的連梁處理方案對于改善連梁的設計十分重要, 而雙連梁能夠很好地降低連梁的內(nèi)力, 改善高層建筑受力性能，越來越得到許多結(jié)構(gòu)同仁的認可。

　　二、雙連梁介紹

　　雙連梁是將單根連梁分解為兩個有一定協(xié)同功能的上、下連梁, 上、下連梁間設有一定的間距,以便于施工, 上下梁間不需進行連接, 并可以分別進行設計、施工。根據(jù)受力大小的不同, 雙連梁的上、下梁可以分別采用梁高相同或不同的普通混凝土梁方案, 上、下梁也可以分別采用剛度折減等措施。對于與單連梁相同跨度的雙連梁, 由于雙連梁不同于兩根獨立工作的連梁, 而是共同工作的連梁, 故雙連梁的跨高比定義為跨度 /上下梁總高度。運用ETABS等空間有限元程序，可以將雙連梁建在模型中進行簡單的分析比較。

　　一般雙連梁可以分為兩種：一種是跨高比較小的連梁中部分水平縫形成雙連梁，縫寬一般為50或100mm;另一種是中間逢比較大，形成水平開洞，高度通常達到300-600mm左右。

　　三、雙連梁分析比較

　　1. 為什么要分縫?

　　跨高小的高連梁通過設水平縫形成雙連梁、多連梁，其破壞形態(tài)從剪切破壞變?yōu)閺澢茐?。連梁增大剪跨比的同時，也相應地降低了連梁的剛度，提高了延性。

　　2. 設縫的目的?

　　結(jié)構(gòu)抗震性能的關鍵點在于耗能元的總量以及結(jié)構(gòu)的層次性。對于普通砼結(jié)構(gòu)其耗能元就是塑性鉸，雙連梁的設置無形中增加了結(jié)構(gòu)體系的冗余度和成鉸數(shù)量，從而能有效提高結(jié)構(gòu)體系的抗震能力，所以對抗震是有利的，對于重要的建筑可以有意識主動去設置。不要把設雙梁僅僅看做一種解決連梁超筋的手段，而要做為一種提高結(jié)構(gòu)體系抗震能力的有效途徑。

　　3. 與普通連梁相比, 雙連梁具有的優(yōu)點：

　　(1). 在不同的跨高比時, 橫截面積相同的雙連梁較單連梁具有更小的剪力和彎矩, 設有雙連梁的結(jié)構(gòu)自振周期小于設有單連梁的結(jié)構(gòu), 頂點水平位移前者大于后者。

　　(2) .隨著跨高比的增加, 雙連梁的剪力較單連梁剪力下降更快; 隨著跨高比增加, 雙連梁的彎矩逐漸減少, 而單連梁的彎矩先增大后保持穩(wěn)定。隨著跨高比增加, 雙連梁最大剪力、彎矩與單連梁最大剪力、彎矩的比值逐漸降低, 說明跨高比越大, 雙連梁的優(yōu)勢越明顯。

　　( 3). 相同跨高比時, 增加上、下梁間的距離,對上、下梁的最大剪力和彎矩影響較小, 隨著上下梁間距的增加, 雙連梁所承受的總剪力、彎矩有較小的增加。

　　(4) .相同跨高比時, 增大上下梁的間距使上、下梁的最大彎矩、剪力變化趨勢不同, 但變化較小。等截面的上、下梁的最大彎矩、剪力相差較小, 可認為使用上、下梁等截面的雙連梁較合理。

　　( 5) . 雙連梁的總彎矩和總剪力較單連梁小,但是雙連梁的軸力較單連梁大, 這是因為雙連梁形成的力偶作用改變了連梁的軸力。

　　( 6) . 雙連梁能夠增大建筑的可使用空間, 利于設備管線的布置, 建議間距大于200 mm。另外, 當上下梁間距大于 200 mm 時, 雙連梁的上下梁能夠較容易分別進行施工, 因而雙連梁方案并不增加施工難度。

　　(7).雙連梁方案能夠很好地減小連梁的內(nèi)力, 因而能夠減少連梁的配筋,因此雙連梁方案具有良好的經(jīng)濟效益, 并具有很好的應用價值。

　　四、雙連梁等效計算

　　一般對于ETABS等空間有限元程序而言，可以將雙連梁建在模型中分析，而對于PKPM等平面簡化的程序，可以通過等效的方法處理，常用的等效方法有：(1)等抗剪切面積;(2)等抗彎剛度;(3)同時等剪切面積和抗彎剛度;(4)考慮剪切影響的抗彎剛度等。這些方法都是基于簡單疊加的方法，實際上并不準確，無法真實模擬雙連梁的作用。

　　目前應用較多的是第一種等效方法，等效連梁的寬度為小截面連梁寬度的 2 倍，高度與小截面連梁相等，按簡單等效后的連梁截面進行結(jié)構(gòu)分析計算，再根據(jù)計算結(jié)果對設置水平縫的連梁進行配筋設計，此方法一般軟件均可進行計算分析，但簡化處理后與實際高低雙連梁受力狀況有一定的偏差，其他后三種等效方法，因?qū)嶋H操作中不借助軟件輔助設計，基本難以實現(xiàn)，所以運用較少。

　　朱炳寅在《對“雙連梁”的認識與設計建議》一文中對第1種做法進行了比較分析，指出了簡單等效存在的問題,具體分析結(jié)果如下：

　　對“雙連梁”按抗剪截面面積相等的原則進行簡單等效后，其截面的抗剪承載力沒有改變，但等效引起了連梁實際抗彎承載力及受力狀況的巨大改變。在水平縫上下設置的連梁為一對組合連梁，與并排設置的兩根同截面連梁完全不同。兩根并排設置的連梁，其截面特性可以是每根連梁的簡單疊加(A=A1+A2，EI=EI1+EI2)，而上下并排設置的連梁的截面特性不再遵循兩根梁的簡單組合原則(EI≠EI1+EI2)，連梁的實際抗彎能力比兩根并排設置的單梁有大幅度的提高，其主要原因是上、下設置的連梁承擔著附加軸力，軸力形成的內(nèi)力偶對外力起平衡作用。對連梁抗彎剛度估算的偏差將導致結(jié)構(gòu)計算內(nèi)力的很大變化：

　　(1). 在多遇地震作用下，連梁的超筋多為抗剪截面不夠，采用簡單等效的小截面高度連梁計算，則連梁剛度過小，表面的計算結(jié)果合理，掩蓋了實際連梁剛度大而引起的連梁抗剪承載力不足(連梁強彎弱剪)的矛盾。而按小截面連梁計算出的連梁縱向鋼筋，配置在實際抗彎剛度較大的雙連梁上，將導致實際連梁吸收過多的地震彎矩，使連梁承擔比計算大得多的地震剪力，地震作用時，極易出現(xiàn)梁端的剪切破壞，使連梁過早地退出工作。

　　(2). 在罕遇地震作用時，由于連梁剪切破壞而退出工作，使連梁兩側(cè)的墻肢變成獨立墻肢，導致墻肢地震作用效應急劇增大，由于結(jié)構(gòu)設計時沒有按 “考慮在大震下連梁的不參與工作，按獨立墻肢進行第二次多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，墻肢按兩次計算所得的較大內(nèi)力進行配筋設計”，大震時墻肢存在破壞的可能，結(jié)構(gòu)構(gòu)件各個擊破，容易導致結(jié)構(gòu)整體倒塌。

　　(3). 計算連梁抗彎剛度過小時，將導致連梁分擔的地震作用減小，大大增加墻肢的負擔(但還不足以承擔罕遇地震作用時連梁剪切破壞后墻肢的地震作用)，經(jīng)濟性差。

　　朱總同時提出了等側(cè)向位移試算的方法，雖然這種方法也不一定精確，但是對于結(jié)構(gòu)位移和構(gòu)件的內(nèi)力模擬，誤差是可以接受，提出的簡化等效方法如下：

　　依據(jù)連梁截面抗剪承載能力反求連梁所能承擔的最大彎矩，其所尋求的是與連梁梁端最大抗剪承載力相匹配的最大梁端彎矩，形成以梁端抗剪承載力控制的塑性鉸，此處稱其為“剪力鉸”。文章建議是針對目前程序不具備“剪力鉸”計算功能所提出的解決辦法(即通過采用減小連梁計算截面高度進行試算的辦法，尋求在連梁的計算剪力不大于實際連梁抗剪承載力的前提下，連梁的最大計算彎矩)，當程序具備“剪力鉸”功能時，對超筋連梁的處理將變得更加簡單。

　　以全國應用普及最廣的PKPM軟件來說，舊版PKPM軟件只能按層間梁輸入，大概模擬雙連梁的受力性能，但按梁輸入因梁是一維構(gòu)件桿系單元和墻元模擬存在一定的差異，計算結(jié)果也不甚理想，但新版PKPM的SATWE已可以在參數(shù)中設置雙連梁，為我們進一步精確分析雙連梁的受力性能提供了可能。

　　五、雙連梁配筋分配原則和構(gòu)造要求

　　(1). 水平力作用下，利用等效連梁計算出來的內(nèi)力，如何分配到雙連梁上，進而設計雙連梁呢，一般來說雙連梁可以獨立工作，按照各自的剛度分擔內(nèi)力，近似按上下連梁平均分配縱筋和箍筋面積，但是對于剛度變化較大的區(qū)域，雙連梁的受力則有較大的差異，比如底層，剛度突變層等，實際設計中建議將等效單連梁的內(nèi)力進行適當放大，然后再按照剛度分配。

　　(2). 豎向力作用下，應保證上面的連梁剪壓比和抗彎能力滿足計算要求，如連梁上搭有垂直方向次梁時，應驗算非地震力組合工況下上連梁承擔的豎向力，并按此計算結(jié)果和抗震結(jié)果取包絡較大值，而不應上下連梁取相同配筋。

　　(3). 墻肢的內(nèi)力，一般的等效方法都會令墻肢的內(nèi)力有些變化，尤其是軸力的變化，應引起重視，可適當加強連梁兩側(cè)墻體暗柱配筋，留有一定安全儲備。

　　(4). 水平縫構(gòu)造,最簡單的就是水平縫處用非承重砌塊或聚苯板封堵，隔開上下梁，在水平縫處最好留抗滑移插筋，其余構(gòu)造要求可同普通連梁。

　　六、總結(jié)

　　綜上所述, 雙連梁作為一種新型連梁方案, 其在受力性能方面具有較多優(yōu)點，本文基于用有限元軟件建立模型，對單、雙連梁的力學性能進行了對比分析，但其真實的力學性能有待進一步研究和在實踐中驗證。而且雙連梁降低了連梁的剛度，當結(jié)構(gòu)對側(cè)移有嚴格要求時, 應考慮其對水平剛度的降低作用。目前，國內(nèi)對雙連梁的研究還沒有形成特別成熟統(tǒng)一的理論，相信隨著科技技術的發(fā)展，我們對雙連梁的認識和運用會逐步加深。

　　參考文獻：

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