探讨建筑结构中的钢筋混凝土连梁设计
关键词：建筑结构；连梁；设计
0.引言
建筑结构中连梁起着调节和保证剪力墙侧向刚度的作用，是抗震剪力墙结构中第一道抗震防线，起着消耗地震能量的作用。具有足够强度、刚度和良好变形性能的连梁的剪力墙，在遭受强烈地震时，多数连梁在墙肢屈服之前先屈服，发挥其塑性变形能力，耗散地震能量，有效减轻主体结构构件的损坏，使结构达到三个水准的抗震设防目标[1]。
1.钢筋混凝土连梁的破坏特点
钢筋混凝土连梁可视为两端与墙肢刚接连接，反弯点在跨中的反对称弯曲深梁。在风荷载和水平地震作用下，墙肢产生弯曲变形，使连梁产生转角，从而使连梁产生内力。同时连梁端部的弯矩、剪力和轴力又反过来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。其破坏形式可分两种：脆性破坏(剪切破坏)和延性破坏(弯曲破坏)。连梁发生脆性破坏时，丧失了各墙肢的约束作用，将其成为单片的独立梁。这会使结构的侧向刚度降低，变形加大，墙肢弯矩加大，并且增加P一△效应[2]。连梁发生延微裂缝，并形成塑性铰，塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力，从而吸收大量的地震能量，对墙肢起到一定的约束作用，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。但在地震反复作用下，连梁的裂缝会不断发展，直到混凝土受压破坏。连梁受力和变形与跨高比较大的细长梁或简支深梁都有很大的差别，其破坏形态与其剪压比、剪箍比、跨高比等因素有关。一般可分为弯曲滑移型破坏、弯曲剪切型破坏和剪切型破坏三种，这些破坏均带有剪切破坏的特点，延性和耗能指标都较差[3]。
2.钢筋混凝土延性连梁研究现状
国外从20世纪70年代开始对连梁进行研究，国内的研究始于1983年。目前国内外研究重点主要在如何改善连梁的延性上。主要的研究方向有：(1)采取措施增加连梁的跨高比，改善连梁的受力特性，如带通缝连梁、带槽缝连梁。(2)沿用传统细长梁的配筋方案(即纵向钢筋+箍筋)，对详细构造措施进行研究并提出更加严格的设计要求；并突破纵向钢筋+箍筋的传统梁配筋形式，寻求更有效的配筋方案。
3.带通缝、带槽缝连梁方案
为了改善连梁的延性，沿梁长截面高度中间带通缝的连梁，如图l所示。试验表明，这
种连梁具有相当大的延性，但刚度和强度低过多。
为改善带通缝连梁的上述缺点，研究出新的带槽缝的延性连梁，如图2所示。中间的混凝土连接键在地震作用下逐渐开裂，其销键作用使结构能在保持较高强度和刚度下发生较大变形。
4.提高连梁抗震性能的配筋方案
传统的配筋方案及现行规程[2]推荐的连梁的设计方法对采取传统配筋方案的连梁的研究开展较早，比较成熟，因其构造简单、施工方便的特点，为工程界广泛接受。现行规范为了提高连粱的抗震性能，主要采取了以下综合措施：
4.1控制连梁的剪压比，取与普通框架梁相同的剪压比限值。
4.2梁的剪力设计值。按“强剪弱弯”原则进行调整，连梁的剪力增大系数取与普通框架梁的相同。
4.3连梁的斜截面受剪承载力验算。与普通框架梁相比，降低了箍筋部分的承载能力(降低20％)(跨高比大于2.5时)；当跨高比不大于2.5时，连梁的受剪承载力比跨高比大于
2.5的连梁降低10％。
4.4连梁的刚度折减。由于剪力墙的刚度一般很大，在水平地震作用下，连梁会因为很
大的内力而超过截面允许值。因此可考虑在不影响其承受竖向荷载能力的前提下，允许其适当开裂(降低刚度)而把内力转移到墙体上。折减系数不宜小于0.5，以保证连梁承受竖向荷载的能力。对连梁刚度折减后，仍发生连梁斜截面受剪承载力不够时，可区别不同的情况采取如下相应的措施：如果结构的整体刚度较大，计算位移比规定的限值小，自振周期小，不满足斜截面受剪承载力要求时，可采用减小连梁截面高度的方法，使连梁的内力减少。如果只是部分连梁的斜截面受剪承载力不足，可对水平地震作用下连梁的弯矩及剪力进行调幅，由于已经对连梁的刚度进行过折减，应严格控制调整幅度，并适当提高其余部位连梁和墙肢的弯矩设计值。如经上述调整仍不符合斜截面受剪承载力要求时，可按剪压比限值确定剪力，并反算出连梁的弯矩，按“强剪弱弯”原则配置相应的纵向钢筋。如果不能保证连梁在大震时的延性要求，可按在大震作用下该连梁不参与工作，按独立墙肢进行第二次多遇地震下结构内力分析，墙肢应按两次计算所得较大内力进行配筋设计。必要时应重新调整结构布置，使连粱的承载力符合要求。
4.5构造上的特殊要求。
①纵向钢筋在保证受弯承载力的前提下，应越小越好，以使连梁在地震作用下尽早屈服、耗散能量，形成抗震的第一道防线。规范未明确规定纵向钢筋的最小配筋率，文献[4]从连梁受剪截面控制条件出发，对这一问题进行了深入研究，提出了设计建议，见表l。
②抗震设计时连梁箍筋沿全长的构造按框架梁端加密区箍筋的构造要求采用；顶层连粱的纵向钢筋锚固范围内，应设置箍筋，箍筋直径与该连梁的箍筋相同，但间距不宜大于150mm。
③连梁范围内，墙体的水平分布筋应作为连梁的腰筋拉通连续配置；连梁截面高度大于700mm时，两侧腰筋的直径不小于10mm，间距不应大于200mm；连梁跨高比不大于2.5时，两侧腰筋的面积配筋率不应小于0.3％。
5.提高连梁延性的其他配筋方案按传统细长梁的配筋方案
即使采取了严格的构造措施，也难以满足对连梁抗震性能的要求，特别对抗震等级高的高层建筑结构。目前对连梁的配筋方案进行了许多有创意的研究，寻求更加安全可靠、方便施工的配筋方案，来改善连梁的抗震性能。小跨高比连梁的破坏主应力迹线基本呈现斜向网状交叉形，从钢筋的有效性考虑，斜向配筋是最好的，新西兰P.PAULAY教授提出斜向交叉暗柱式配筋方案(即交叉暗撑)，如图3所示，通过纵向钢筋、箍筋与斜向交叉暗柱式钢筋相结合，在跨高比为1.3的情况下，位移延性系数可达到6.0[5]。该配筋方案适宜用于宽度在300～350mm以上的连梁，国内外规范都有推荐使用。我国规范[1]规定：跨高比不大于2的框筒梁和内筒连梁宜采用交叉暗撑，跨高比不大于1的框筒梁和内筒连梁应采用交叉暗撑。并对交叉暗撑的计算和构造作了规定。但由于施工难度较大，工程界应用不多。
图4是几种斜向布筋的方案，其位移延性系数在2～4之间，耗能能力比斜向交叉暗柱式配筋方案略逊一筹，但施工比较方便。对一、二级抗震等级且连梁跨高比≤2、墙厚≥200
mm时，规范[1]将交叉钢筋作为改善连梁抗剪性能的构造措施推荐使用，不计入其受剪承载力。交叉钢筋直径一般不小于12mm，应按受拉钢筋锚入墙内。
6.结束语
钢筋混凝土连梁的结构设计还存在不少问题，但随着不断深入的研究，这些问题将会
得到较好的解决。
参考文献
[1]黄小坤.剪力墙连梁纵向钢筋构造配筋率探讨[J].北京：建筑结构，2004，34(1)：43—55.
[2]丁大钧.现代混凝土结构学[M].北京：中国建筑工业出版社，2000：647—662.
[3]曹云锋，张彬彬，赵杰林等.改善洞口连梁抗震性能的一种有效配筋方案[J].重庆：重庆建筑大学学报，2003，25(5)：24—30.
[4]GB50011-2001，建筑抗震设计规范[S].
[5]JGJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[s].