连梁剪压比超限的处理办法
张利军
在高烈度地区,剪力墙连梁的剪压比超限是一个非常普遍的问题。因为没有好的处理办法,所以也是一个非常令人头疼的问题。其难点在于,地震内力是动态的,加大连梁截面倒是能够提高抗剪承载力,但地震内力也相应加大;减小连梁截面,倒是能降低地震内力,但连梁的抗剪承载力也相应降低。往往是好不容易解决了一个超限,却又新出现一个或几个;好容易调好了连梁,却墙肢又出现超限……尤其在图审人员要求较严的情况下,那种焦灼直令人寝食难安。
现将连梁剪压比超限的处理办法进行总结,并提出处理建议,供大家参考和讨论。
一、什么是剪压比超限?
连梁剪压比超限的含义就是不满足抗规公式(6.2.9)的要求,也就是连梁的截面限制条件:
因梁的受剪承载力抗震调整系数
,所以上面两式可简化为:
和
。 (1)
这两个公式的右边,就是连梁受剪承载力的最大值。达到该值后,再加大配筋已无济于事了,所以叫截面限制条件。
将这两个公式改变成下面的形式可见,0.24和0.18即为剪压比的容许值:
当跨高比
时,
;
当跨高比
时,
;
二、连梁剪压比超限的原因:
连梁的剪压比超限是非常突出的问题。究其原因,与剪力墙自身特点有关。
1.连梁跨高比较小,剪切刚度和抗弯刚度均较大,以剪切变形为主,变形能力差;
2.两端墙肢对连梁形成强约束,水平作用来临时,连梁受力首当其冲。因变形能力差,极易形成部分连梁的应力集中。而此时,墙肢的内力往往远小于其承载力,远没有发挥其抵抗水平作用的能力。弱小的连梁冲在前面不堪重负,强大的墙肢在后面无处发力,二者受力不均衡不协调。
3.连梁高度是由建筑洞口决定的,宽度即为剪力墙的厚度,一般远小于柱截面,也经常小于梁宽度,所以连梁截面积和受剪承载力有限。
4.有人说是因为规范对连梁的剪压比限值偏严,其实不然。由《抗规》第6.2.9条可见,规范对梁、柱、墙和连梁的剪压比限值要求是一样的。相反,考虑到连梁的变形能力更差,相对来说,对连梁的剪压比控制是偏松的。
三、解决连梁剪压比超限的常用方法:
1.《高规》7.2.26条的方法:
第1条:减小连梁刚度,从而降低连梁的剪力。但减小连梁高度的同时,也降低了连梁的最大受剪承载力,所以能不能奏效需试着看。
第2条:通过降低连梁受弯承载力,从而降低连梁所受的剪力。该方法只能跟第1条二选一。
第3条:该条是第1条的极端情况,即连梁与墙肢按铰接考虑,保证大震下独立墙肢的安全。该条办法基本用不上
2.《北京院技措》2007版附录G的方法:
该方法计算过程为:
(1)以上式(1)右侧求得最大受剪承载力,作为连梁剪力设计值的控制条件,并以此剪力值按照弯剪平衡和强剪弱弯的要求,求得连梁的最大弯矩设计值,进而计算连梁的箍筋和纵筋配筋量,充分发挥了连梁的承载能力。
(2)减小连梁高度,反复试算,控制连梁剪力接近但不超过最大受剪承载力,进而验算墙肢和其它连梁的承载力,保证结构安全。该方法需要反复试算,逐渐接近最优解。
3.连梁刚度折减(《抗规》6.2.13):
剪力墙地震内力计算时,连梁的刚度可折减,折减系数不宜小于0.50。
计算位移时,连梁刚度可不折减。
------该条是否意味着,结构抗侧移刚度可不考虑连梁剪压比超限的影响?从而“位移角、位移比、周期比、刚度比”等整体性指标均不用考虑连梁剪压比超限的影响?
4.连梁分缝(《抗规》6.4.7):
在连梁中部设水平缝,将一根连梁分成若干根。通过降低连梁刚度,从而减小连梁剪力。
在跨度不变的情况下,连梁抗弯刚度为
,将一根连梁分成等高的两根,抗弯刚度可降低到原先的1/4。但抗剪刚度为GA,A连梁分缝后,截面积变化甚小,所以对抗剪刚度几乎没有影响。由于连梁的剪切刚度为主要成分,所以分缝对减小连梁剪力的效果不明显。这也为算例所证明:
下面第一张图中,四根连梁剪压比超限。
设缝后,依然有三根连梁超限,效果不明显。且分缝的后期处理麻烦,表面容易开裂。所以该方法不宜采用。
5.配置交叉斜筋或暗撑(《混规》11.7.10),可将剪压比限值提高至0.294:
该法适用于跨高比
的连梁。
当250≤墙厚<400时,可采用交叉斜筋;
当400≤墙厚时,可采用暗撑。
该法配筋构造较复杂,适合于剪力墙较厚的公共建筑核心筒,不适合于住宅。尽管交叉斜筋和暗撑对剪压比限值的提高幅度有限,但对提高强剪弱弯性能较好。
6.采用型钢混凝土连梁(《组合规范》),可大幅提高剪压比限值:
型钢混凝土连梁的剪压比验算公式为:
可见,在连梁内配置型钢(或钢板),只要配钢面积率
,剪压比限值可由0.18或0.24提高到0.42,提高幅度较大,对解决剪压比超限很有效。但是,连梁配置型钢(或钢板)的话,其两端的边缘构件内就得配置型钢,才能有效约束连梁进而完成力的传递。可见该法也是适合于公共建筑核心筒,不适合于普通剪力墙住宅。
四、连梁剪压比超限的解决办法建议:
从上文可见,解决连梁剪压比超限主要是两个途径:一是降低连梁刚度进而降低连梁剪力设计值;二是提高连梁的抗剪承载力和延性。
降低连梁刚度,可采用定义刚度折减系数、减小连梁高度、加大洞口宽度等办法。按《抗规》要求,刚度折减系数不宜小于0.5,这里的用词为“不宜”。“减小连梁高度”也就是加大洞口高度,该法在公共建筑中可使用,因公共建筑层高较大,尤其是连梁超限问题较突出的底部楼层,连梁高度可按结构的需要确定,连梁以下至洞口顶部留管道洞口,可以明显降低连梁刚度。如下图:
在量大面广的剪力墙住宅中,减小连梁高度的可行之处,也仅是将窗台做成砌体。门顶连梁不宜减小,否则后期处理太麻烦。在墙肢承载力富裕的情况下,加大洞口宽度,从而加大连梁跨高比,是降低剪力墙住宅连梁刚度的好办法。
综上所述,提出连梁超限处理办法如下:
以《北京院技措》2007版附录G的方法,结合现行版本的盈建科或PKPM能够分别定义各连梁不同的刚度折减系数的功能,验算超限连梁刚度折减以后,其他连梁和墙肢的承载力,从而保证结构安全。
第一步:整体指标的控制(周期比、位移比、刚度比、剪重比、刚重比、位移角等):此时,连梁刚度折减系数可按《高规》5.2.1条文说明取值,反复调试,直至各指标符合要求。为了后面调试的方便,此时对位移角预留20~30%左右的余量。
第二步:对超限连梁,手工按上式(1)算出其最大受剪承载力;
第三步:在模型中,对不同的连梁,分别定义不同的刚度折减系数,再进行整体计算,直至连梁的剪力包络设计值接近但不超过最大受剪承载力。
第四步:需反复调试,逐渐接近最优解。因墙肢的安全级别高于连梁,所以每次计算,都要检查确保墙肢不超限。
在条件适合的情况下,尽量采用交叉斜筋、暗撑或配置型钢。
五、总结:
在结构总的承载能力满足要求的情况下,连梁剪压比超限其实就是整体结构或相关构件之间受力不均衡、不协调的表现。
在同一片剪力墙中,身材瘦小的连梁冲锋在线,身强体壮的墙肢在后面干着急使不上劲,所以就要将连梁的刚度降下来,把内力释放出来,传递给相关墙肢和其他有余力的连梁。
在不同剪力墙之间,由于扭转效应,有的构件处于崩溃的边缘,有的闲得没事干(仅为构造配筋)。所以要反复调整结构布置,尽可能减小扭转,使得整体结构尽可能接近平动。
整体结构和各构件之间均衡、协调受力,是结构抗震设计追求的最高目标。计算模型的调整过程,可谓牵一发而动全身。没有灵丹妙药,不可能一蹴而就,只能多管齐下,不厌其烦,反复调试,逐渐接近最优解,使得各构件相对刚度适宜,受力均衡;各尽所能,共同消耗地震能量。
或许有人认为,过低地折减连梁刚度会使得地震力作用下连梁严重破坏。但至少保证了墙肢的承载力,总比置之不理强吧。墙肢的安全级别应远高于连梁。
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