高層建筑鋼筋混凝土連梁的設(shè)計(jì)和研究

高層建筑鋼筋混凝土連梁的設(shè)計(jì)和研究在剪力墻結(jié)構(gòu)和框架―剪力墻結(jié)構(gòu)中，兩端與剪力墻在平面內(nèi)相連的梁稱為連梁。連梁一般具有跨度小、截面大，與連梁相連的墻體剛度又很大等特點(diǎn)，連梁的內(nèi)力往往很大。本文根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)提出了以承載能力為控制條件的鋼筋混凝土梁等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，并對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的探討。

前言

高層建筑是社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展和人們生活需求的產(chǎn)物，是商業(yè)化、現(xiàn)代化、城市化和工業(yè)化發(fā)展的結(jié)果。它主要是體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展水平。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口不斷增加，高層建筑逐漸成為城市發(fā)展的標(biāo)志。剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑中常見的結(jié)構(gòu)形式，其中，高層建筑剪力墻中的連梁在高層建筑是非常重要的，它主要是連接柱和剪力墻。連梁具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，即梁截面比較大，跨度比較小等。所以，連梁在高層建筑風(fēng)荷載、水平力以及地震荷載等外力的作用下就會(huì)產(chǎn)生比較大的內(nèi)力。此外，高層建筑剪力墻中的連梁兩端的墻肢會(huì)因?yàn)橐恍┩饬Φ挠绊懏a(chǎn)生不均勻的壓縮，此時(shí)連梁的兩端就會(huì)發(fā)生豎向位移，連梁容易超筋算不過。因此，對(duì)高層建筑剪力墻中的連梁設(shè)計(jì)進(jìn)行研究具有非常重要的意義。

一、高層建筑剪力墻中連梁的工作和破壞機(jī)理

眾所周知，鋼筋混凝土的破壞形式可分成兩種：脆性破壞和延性破壞。此外，高層建筑聯(lián)肢墻在水平力和風(fēng)荷載作用下的破壞形式同樣可以分成兩種：脆性破壞和延性破壞，這里的脆性破壞也可以稱作剪切破壞，而延性破壞就稱為彎曲破壞。

在高層建筑剪力墻中聯(lián)肢墻的脆性破壞也可以分為兩種，一種破壞是發(fā)生在墻肢，另外一種則是連梁先屈服，然后就是墻肢的屈服。墻肢破壞中，墻肢之所以發(fā)生脆性破壞主要是因?yàn)槠淇辜裟芰Σ蛔阍斐傻?，由于其抗剪能力比較小，其剪力墻就失去了承載力，因此就造成了墻肢發(fā)生脆性破壞。這種形式的破壞，在高層建筑剪力墻設(shè)計(jì)中是應(yīng)避免的。脆性破壞的另外一種形式就是連梁的脆性破壞，連梁一旦發(fā)生脆性破壞就會(huì)使聯(lián)肢墻各墻肢喪失連梁對(duì)墻肢的約束作用。此外，為了防止高層建筑的墻肢在發(fā)生彎曲破壞之前就發(fā)生脆性破壞，在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）就明確的規(guī)定了抗震等級(jí)為一、二級(jí)時(shí)抗震墻底部加強(qiáng)部位剪力設(shè)計(jì)值和抗震墻截面的剪壓比限值放大系數(shù)。

在高層建筑剪力墻中連梁的延性破壞也可以分為兩種情況，一種破壞形式是連梁不發(fā)生屈服現(xiàn)象。墻肢發(fā)生的是彎曲破壞，其剪力墻在破壞形式下其產(chǎn)生的極限變形是比較小的，所以，對(duì)于那些有抗震設(shè)防要求的高層建筑來說，它雖然是一種延性破壞，但是吸收地震能量的能力還是比較低，在其連梁的設(shè)計(jì)中是可以避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)。另外一種破壞形式則是連梁先屈服，然后就是墻肢的屈服。在這個(gè)破壞形式中受拉區(qū)則會(huì)出現(xiàn)比較細(xì)小的裂縫，且梁端也會(huì)出現(xiàn)一些垂直裂縫，此外，在地震作用下還會(huì)出現(xiàn)一些交叉裂縫，并且形成塑性鉸，此時(shí)結(jié)構(gòu)的變形就會(huì)變大，剛度就會(huì)下降，使得大量的地震能量都被吸收，此外，剪力和彎矩的傳遞還能繼續(xù)通過塑性鉸進(jìn)行，使得剪力墻的剛度和強(qiáng)度能保持足夠大，在這個(gè)破壞過程中，連梁的主要作用是耗能、延緩墻肢屈服使墻肢內(nèi)力不斷減少，但是一般在反復(fù)作用下，其高層建筑剪力墻中的連梁裂縫就會(huì)不斷的變寬、增多，一直持續(xù)到混凝土出現(xiàn)受壓破壞。

二、有限元模型

（1）材料模型

鋼筋材料模型采用線彈性模型和雙線性彈塑性材料模型?；炷聊Ｐ涂紤]受拉開裂，其受壓本構(gòu)關(guān)系采用不帶下降段的多折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型來定義，本構(gòu)關(guān)系的具體數(shù)學(xué)模型采用混凝土規(guī)范建議的公式（上升段為二次拋物線，之后為水平的直線段）：當(dāng)εc<ε0時(shí)，σc=fc[1-（1-εc/ε0）n]；當(dāng)εc<ε0<εcu時(shí)，σc=fc，式中各參數(shù)含義參見混凝土規(guī)范。

（2）模型建立

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬分析，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)鋼筋分布比較均勻的剪力墻和樓板采用整體式建模，連梁縱筋采用分離式建模，箍筋按配筋率彌散在混凝土中?；炷敛捎肧olid65單元模擬，鋼筋采用Link8單元模擬，這些單元可以模擬混凝土中的加強(qiáng)鋼筋以及混凝土的拉裂、壓碎現(xiàn)象，并得到鋼筋的應(yīng)力、應(yīng)變分布。建模過程中，不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移，劃分網(wǎng)格時(shí)鋼筋與混凝土單位共用節(jié)點(diǎn)，同時(shí)不考慮混凝土的壓碎。計(jì)算時(shí)，混凝土閉合裂縫剪切傳遞系數(shù)取為0.95，剪力墻部位張開裂縫剪切傳遞系數(shù)取0.125，連梁部位張開裂縫剪切傳遞系數(shù)取0.5。建模時(shí)，墻肢底部所有節(jié)點(diǎn)施加全約束，水平荷載施加在模型左端頂部，為使計(jì)算收斂，在施加集中荷載處增加剛性墊片。荷載步取10kN逐級(jí)加載，直到結(jié)構(gòu)破壞為止。

三、連梁的設(shè)計(jì)措施

（1）調(diào)整連梁截面高度

當(dāng)高層建筑連梁剪應(yīng)力比設(shè)定的限制值比較高時(shí)，此時(shí)是不能增加截面高度，主要是因?yàn)樵黾咏孛娓叨?，其剪?yīng)力就會(huì)隨之增大，其建筑的穩(wěn)定性就會(huì)變差。在截面經(jīng)調(diào)整之后其高度變小之后，此時(shí)連梁的剛度也會(huì)隨之下降，就能保證承載力不高過限制值，其地震作用產(chǎn)生的不利后果就能得到控制。增加過梁，降低連梁高度這是一種比較實(shí)用的方法，這種方法使得過梁的兩端嵌在剪力墻中，能與剪力墻同時(shí)澆筑，大大方便了工程施工。此外，還需要用砌塊將剪力墻與連梁之間的空隙填補(bǔ)好。在采用這種方法時(shí)連梁的高度設(shè)置要合理，不過過大，也不能過小。連梁高度過大，建筑物的穩(wěn)定性就會(huì)下降；連梁高度過小，就不能將過多的能量給消耗掉，墻肢的損害程度也不會(huì)降低。

（2）設(shè)縫變雙連梁

為了解決連梁減壓比不滿足要求時(shí)的問題，我們可以通過設(shè)縫方案來有效解決此問題。連梁水平縫的設(shè)置通?？梢匝刂嚎缍确较蛉_，當(dāng)然也可只在梁的兩端預(yù)留，這種方法可以有效的降低了連梁截面的高度，從而使其跨高比顯著提高，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，在連梁的中部形成薄弱部分，大變形下在此處開裂形成水平縫，使其形成雙梁，使結(jié)構(gòu)承受的地震剪力降低，從而減小了連梁被破壞的機(jī)率。

（3）折減連梁的剛度

高層建筑中的連梁由于其自身特點(diǎn)，其在水平力的作用下產(chǎn)生的內(nèi)力是比較大的，連梁發(fā)生屈服時(shí)，其剛度就會(huì)逐漸變小，內(nèi)力也會(huì)出現(xiàn)重分布現(xiàn)象，連梁的兩端也會(huì)出現(xiàn)一些裂縫。所以，在對(duì)高層建筑剪力墻連梁設(shè)計(jì)時(shí)就需要將結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算出來，對(duì)連梁的剛度進(jìn)行折減。在實(shí)際高層建筑中連梁的設(shè)計(jì)一般取值是在0.55到1之間，這主要是為了符合截面設(shè)計(jì)的要求。對(duì)于那些以風(fēng)荷載為主要控制因素的高層建筑，其折減系數(shù)就應(yīng)該取較大點(diǎn)的數(shù)值。

四、結(jié)語

綜上所述，鋼筋混凝土連梁在高層建筑中的作用是極為重要的，它的設(shè)計(jì)是否滿足要求將關(guān)乎到整棟建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和使用者的人身財(cái)產(chǎn)安全。因此，在進(jìn)行對(duì)連梁設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)設(shè)計(jì)人員要仔細(xì)認(rèn)真的考慮整棟建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。根據(jù)建筑工程實(shí)踐證明只有合理的結(jié)構(gòu)形式才能從根本上解決我們進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所遇到的問題，才能保證建筑的整體穩(wěn)定性，促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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