结合工程实例论建筑结构设计之连梁设计
关键词: 结构设计,连梁,分析
在剪力墙结构和框架- 剪力墙结构中, 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。
1 连梁若超筋的主要原因
一般在风荷载和地震的作用下, 连梁的内力往往会很大。另外,高层建筑中, 由于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, 这也将会在连梁内产生内力。由于设计规范对此没有明确规定, 故使设计者在设计时感到无所适从。而设计及构造不当将会造成结构在抵抗水平力时的强度及刚度不符合要求, 进而影响承受竖向荷载的能力。
2 连梁超筋处理办法
在高层结构中连梁超筋的现象很常见, 下面介绍几种常用的处理方法, 设计人员可以根据工程实际情况灵活运用。
2. 1 在整体计算中进行连梁刚度的折减《钢筋混凝土高层建筑结构设计规程》( JGJ3- 2002) ( 以下简称《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- 剪力墙或剪力墙结构中的连梁刚度可予以折减, 折减系数不宜小于0. 5。考虑对连梁的刚度进行折减, 主要是由于在侧向荷载作用下, 混凝土的开裂引起了刚度降低。在地震作用下, 连梁的裂缝开展和塑性变形比在风荷载作用下的更大, 因此刚度降低得更多。刚度折减得越多, 即折减系数越小, 意味着设计荷载作用下裂缝开展得越大。在超载时, 如发生强大的阵风或地震烈度超过多遇地震烈度时, 塑性铰也会出现得更早, 这就要求更加注意加强连梁的延性和使连梁符合“强剪弱弯”的要求。对于以风荷载为控制因素的建筑中, 为了避免连梁在使用荷载作用下裂缝开展过大, 刚度折减系数应取较大值。此外, 按照《高规》的规定, 在计算竖向荷载作用下的内力时, 对已经考虑了调幅的连梁, 不应再考虑刚度折减。
2. 2 减小梁截面高度, 降低连梁截面刚度剪力墙连梁输入有两种模型, 连梁都是按变形情况来区分。若是连梁受到的是剪切变形, 则按开洞口输入, 直接调整门洞高度以减小连梁截面高度; 若是由弯扭变形为主, 则按梁来输入。随着跨高比的增大, 剪切变形减小,弯扭变形增大。跨高比不大于2. 5时, 连梁按开洞口输入; 跨高比不小于5. 0 时按普通梁输入。跨高比在2. 5～5. 0 之间可根据具体情况选择输入方式。根据《高规》第7. 1. 8 条, 当连梁跨高比不小于5 时, 宜按框架梁进行设计。另外, 当连梁截面高度较高时, 可以通过设置双连梁( 如图1 所示) 的办法来解决, 同时应在上下梁间嵌填轻质材料, 而且上下梁间的水平缝应避开于楼板连接部位,保障结构的整体性。
2. 3 对连梁弯矩及剪力进行调幅对连梁弯矩及剪力进行调幅, 但在整体计算时已将连梁刚度进行过折减的, 不应再考虑调幅。《高规》第7. 2. 25 条第二款规定:“抗震设计的剪力墙中连梁弯矩及剪力可进行塑性的调幅, 以降低其剪力设计值。但在内力计算时已经按本规程第5. 2. 1 条的规定降低了刚度的连梁, 其调幅范围应当限制或不再继续调幅。当部分连梁降低弯矩设计值后,其余部位连梁和墙肢的弯矩设计值应相应提高”。在结构内力计算后, 将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数进行调幅。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) 和0. 5 倍( 8, 9度) 。连梁调幅后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况下的值,也不宜低于比设防烈度低一度的地震作用组合所得的弯矩设计值, 前面所述的采用内力计算折减连梁刚度也应满足此要求, 其目的是避免在正常使用条件下或较小的地震作用下连梁上出现裂缝。
2. 4 当采用前述方法仍不能取得满意效果如果连梁的破坏对承受竖向荷载没有明显的影响, 可考虑在大震作用下该连梁不参与工作,
按独立墙肢进行第二次此多遇地震作用下结构内力分析。中国建
筑科学研究院PKPM CAD工程部开发研制的结构计算系列软件计算时, 可按下述方法处理: 在SATWE 中, 这样的连梁按洞口输入, 调整洞口高度, 使洞顶连梁高度小于300, 从而实现这一目的,避免了增加节点的麻烦。配筋设计时, 墙肢应按两次计算所得的最不利内力进行配筋设计, 连梁则根据实际截面按构造配筋, 做到“强剪弱弯”就可以了。
3 构造措施
从前面的分析以及各种震害表明, 要使建筑经受得住较大水平力的作用, 连梁的延性起到很大的作用。因此, 在设计过程中,不但要保证连梁在内力计算中符合要求, 而且构造措施也是重要的一环, 只有构造合理才能保证计算受力的实施。连梁高度一般是从洞顶算到上一层洞底或从洞顶算到楼面标高, 对于门洞, 上述2 种情况的梁的高度是一样的, 但对于窗底, 连梁高度如果从窗顶算到上一层窗底, 有时高度太高,高跨比太大。
因此, 连梁高度应当从洞顶算到板面或屋面, 窗洞可由窗洞向下边一直开到楼板面, 此部分窗台再用其它轻质材料填筑, 以减低连梁高度, 如图4 所示。连梁配筋一般采用上下对称配筋, 连梁两侧的腰筋应同墙体的水平筋。施工时, 墙体的水平筋在连梁范围内可以连续不断, 以便施工( 由于墙体的水平筋在外, 因此,在连梁范围内要求墙体水平筋弯入连梁箍筋内) 。连梁所受的剪力由箍筋和混凝土共同承担, 一般并不设弯起筋和交叉筋。箍筋按计算确定, 并且要满足《高规》第7. 2. 26 条的规定的构造要求: 抗震设计时沿连梁全长箍筋的构造应按《高规》第6. 3. 2 条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; 顶层连梁纵向钢筋伸入墙体的长度范围内, 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。
4 结论
总之, 连梁超筋的解决方法,首选是控制连梁的刚度折减, 再者是内力调幅, 但应遵循“强剪弱弯”的原则, 如调幅未果, 可考虑连梁不参与工作, 这时就相当于按“强墙弱梁”计算, 把结构的剪力墙变成第二道防线, 这种情况下需加大墙肢的内力和配筋, 以保证墙肢安全。最后, 还得注意加强连梁的构造措施。