第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 用剪力释放方法解决连梁超限 赵毅强陈宇 （北京市建筑设计研究院有限公司.
北京1000-45) 提要：本文采用剪力释放的方法解决钢筋混凝土剪力墙结构的连梁超限问题，不受连梁截面宽度和高度的影响，可以毫无 困难的进行动力分析，结果符合预期，提出了相应的设计对策，具有很强的操作性，是较为通用的解决方案.
还对 现有的连梁超限技术措施进行了汇总，并研究了各种因素对连梁的影响.
关键词：钢筋混凝土，剪力境，高层结构，剪力释放，连梁 1前言 所谓钢筋混凝土剪力墙连梁超限主要表现为其受剪截面超限.
至今为止，我国解决钢筋混凝土剪力墙 连梁的技术措施大致如表1所示 表1当前钢筋混凝土剪力墙连梁超限技术措施汇总 项次 类别 跨高比L/h 墙厚b 受剪截面 文献索引 1 钢筋混凝土普通 ≥2.5 <5 Vo≤ (0.20βfbh) YRE [1]11.7.9 连梁 2 钢筋混凝土普通 <2.5 V≤ 1 (0.15βfbha) [1]11.7.9 连梁 Yee 3 钢筋混凝土斜向 <2.5 ≥250mm V≤ (0.25βfbha) [1]11. 7. 10. 1 交叉配筋连梁 <400mm 4 钢筋混凝土集中 <2.5 ≥400mm Vo≤ 1 (0.25βfbho) [1]11. 7. 10. 2 对角斜筋连梁 YRE 5 钢筋混凝土对角 <2.5 ≥400mm V≤ (0.25βfbh) YRE [1]11. 7. 10. 2 暗撑连梁 6 型钢混凝土连梁 ≥300mm Vs ≤ (0.36fbh. ) [4]5. 1. 4 se [3]11. 4. 18. 3 钢板混凝土连梁 跨高比较小 v≤ YRE (0.20βfbh) [8]6. 5. 5 (<2. 5) 8 钢筋混凝土双连 每个连梁均同（1）或（2） [2]6. 4. 7 梁、 钢筋混凝土多连 梁 9 钢筋混凝土连梁 同（1）或（2） [5] 概念设计 由上表可以看出，项次3，4 5.6.7的技术措施可提高连梁截面的抗剪能力，但要求截面厚度较大，否则难 以施工. 施工经验显示，项次8的技术措施不仅要求连梁截面高度较大（一般至少大于700mm，否则开缝 作者简介：赵教强（1955-），男，硕土，教授级高级工程师：陈字（1984-），男，士，工程师 1 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 后的连梁截面偏小），面且由于需要两次或多次施工，双（多）连梁的浇捣质量不易保证. 电算模拟表明， 项次9定性上有一定道理，但定量计算达不到预期结果. 住宅建筑大都采用钢筋混凝土剪力墙结构，根据结构设计经验，正常布置下标准层混凝土墙体厚度一 般在200mm左右，由于层高在2.72.9米之间，内墙连梁也不太高，对于地震烈度较高地区连梁超限问题 经常出现. 由表1可见，项次38对此仍然无能为力. 其他钢筋混凝土结构体系，在连梁截面有一定限制 时，连梁超限问题也不易得到圆满解决. 因此，建造在较高烈度地区、量大面广、截面厚度较薄的钢筋混 凝土剪力墙住宅结构以及受到限制条件的其他钢筋混凝土结构体系的连梁超限问题实际上并没有得到彻 底解决. 本文提出一种设计方法，采用剪力释放对连梁截面剪力进行调整. 笔者认为，这个解决方案可适应于 任何截面的连梁，且具有较强的操作性. 综合本文方法及以上各种技术措施，相信可以全面彻底解决连梁 超限问题. 2与连梁相关的各因素分析 为叙述方便计，本文采用如下典型住宅工程对与连梁相关的各因素进行分析. 有关参数为：墙、梁、 板混凝土等级均为C30，墙厚均为200mm. 梁、板截面如图所示.楼板面层恒载为1.6kN/m2，活载为2kN/m2， 楼面梁上线恒载为5kN/m，洞口连梁上线恒载为2.5kN/m-层高2.9m-分别按6度（0.05g），7度（0.10g）.7 度（0.15g），8度（0.20g）：地上15层（43.5m），25层（72.5m），34层（98.6m）等进行计算. ③③6 3560 900 600 2.0015001900 3650 0610 U 1500 M1 0 K =12c (C) =150 3800 4000 3800 () ③ 30 注：本注明连梁和楼面梁截面均为200x400，未注明板厚均为100mm 图1典型工程结构平面 2.1连梁输入方式 《高层建筑混凝土结构设计规程JGJ3-2010》条文说明7.1.1将剪力墙结构定义为：以剪力墙及因剪 力墙开润形成的连梁组成的结构. 条文说明7.1.3指出：两端与剪力墙在平面内相连的梁为连梁，且跨高 比小于5的连梁按本章的有关规定设计，跨高比不小于5的连梁宜按框架梁设计. 条文说明7.1.6还指出， 2 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 当梁与墙在同一平面时，多数为刚接. 因此实用中，可将因剪力墙开洞形成的且两端与剪力墙在平面内刚 性连接的梁称为连梁，其跨高比不小于5时，可视为框架梁. 以上定义表达了两种并行的看法：其一认为连梁是墙体的一部分，可用壳单元模拟：其二则将连梁视 为梁，采用一维杆单元模拟. 不论采用何方式，连梁混凝土等级、抗震等级均与墙体相同. 一般电算程序 都包含上述两种单元，设计人员可以随意采用两种连梁输入方式：在墙上开洞或在墙洞间直接布置梁. 目 前，比较共识的输入做法是：连梁跨高比不小于5时按梁输入，连梁跨高比小于5时按墙上开洞布置. 对于按梁输入方式，设计人员应强制其具有连梁属性. 应当指出，连梁按梁还是按壳体输入，力学分析上差别较大. 按梁输入可以利用设计人员熟悉的很多 杆系力学概念（如转角位移关系，弯矩剪力关系等），连梁刚度折减指的是对梁的弯曲刚度（绕3-3轴）进 行折减：按壳体输入相当于按有限元集成，杆系力学概念不太适用，连梁刚度折减指的是对截面（F22）的 折减. 连梁按梁输入的结构基底剪力要比按墙上开洞输入时小一些. 2.2地震设防烈度 同样布置及高度的剪力墙结构，地震设防烈度越高，连梁越容易超限且数量增多. 2.3建筑物高度 同样布置同样地震设防烈度的剪力墙结构，高度越高，连梁越容易超限且数量增多. 2.4连梁混凝土等级 提高混凝土等级，可以较大幅度提高连梁自身的剪压比，由于墙肢截面一般不需要使用较高等级混凝 土，仅仅为了避免连梁超限提高混凝土等级不太合理. 2.5连梁配筋方式、钢板和型钢连梁 改变连梁配筋方式可以提高连梁的延性，使连梁发生剪切破坏时，其延性能力能够达到地震作用时剪 力墙对连梁的延性需求. 延性配筋方式有：交叉斜筋，集中对角斜筋，对角暗撑等，如表1项次35所示. 钢板混凝土连梁和型钢混凝土连梁则是利用钢板或型钢良好的承载能力和塑性变形能力，既提高连梁的抗 剪能力，又可以防止连梁发生脆性破坏，从而提高连梁的延性耗能能力. 但是，延性配筋方式以及在连梁 中设置钢板或型钢，都会增加施工工艺的复杂性. 顺便指出，型钢（钢骨）混凝土连梁的设计实际上在《型钢混凝土组合结构技术规程JGJ128-2001》 和《钢骨混凝土结构技术规程YB9082-2006》中均未明确提及. 实用中大都是按相应的型钢（钢骨）混凝 土框架梁的设计规定执行. 文献[3]和[8]引用这两本规程作为设计依据似不太妥当，建议以后补充型钢（钢 骨）混凝土连梁的设计规定，另外，文献[8]中的钢板混凝土连梁的剪压比在有地震作用时与表1项次1相 同，与跨高比无关，似乎不太：当跨高比不小于2.5时，既然连梁配置钢板与不配置钢板的剪压比限值相 同，配置钢板还有什么意义呢？ 2.6连梁刚度折减系数 《高层建筑混凝土结构设计规程JGJ3-2010》5.2.1，《建筑结构抗震设计规范GB50011-2010》 6.2.13.2均规定：高层建筑结构地震作用效应计算时，可对剪力增连梁刚度予以折减，折减系数不宜小于 0.5.对此，相应条文说明指出，如果跨高比较大（比如大于5），重力作用效应比水平风或水平地震作用 效应更为明显，此时应慎重考虑（连）梁刚度的折减问题，必要时可不进行（连）梁刚度折减，以控制正 常使用阶段梁裂缝的发生和发展. 实用中，跨高比大于等于5的连梁按梁输入并定义为普通梁时，SATWE自动赋予它中梁刚度放大系数. 当跨高比小于5的连梁按梁输入时，应当将它定义为连梁，此时程序自动赋予其连梁刚度折减系数：ETABS 则需在截面属性中进行刚度修改. 现在SATVE，ETABS等程序均可对各个连梁的刚度折减系数在0~1.0间选 取. 2.7连梁刚度折减系数对结构层间位移和基底地震剪力的影响 《建筑结构抗震设计规范GB50011-2010》6.2.13的条文说明指出：计算地震内力时，抗震墙连梁刚度 3 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 可折减，计算位移时，连梁刚度可不折减. 但是，SATWE和ETABS的位移计算结果显然与连梁刚度折减系数相关：连梁折减系数越小，位移结果 越大. 一般地，按连梁刚度折减计算的基底地震剪力要比不对连梁刚度折减时小，连梁的设计地震内力也小 一些，所以结构安全度可能低一些，文献[6]建议：更好的做法是按连梁刚度不折减进行弹性计算，设计时 再对地震内力进行调整. 以上连梁相关参数的分析表明：连梁输入方式和连梁刚度折减系数对连梁的地震内力影响较大. 解决连梁超限问题，计算上除了采取连梁刚度折减方式外，也可采取连梁墙肢内力调整方式. 3连梁墙肢的内力调整 《建筑结构抗震设计规范GB50011-2010》6.2.13的条文说明指出：“抗震墙的连梁刚度折减后，如部 分连梁尚不能满足剪压比限值，.，还可按剪压比要求降低连梁剪力设计值及弯矩，并相应调整抗震墙的 墙肢内力.” （剪压比限值）的要求时，可采取下列措施：. ，内力计算时已经按本规程5.2.1条的规定降低了刚度的 连梁，其弯矩不宜再调幅，或限制再调幅范围. 此时，应取弯矩调幅后相应的剪力设计值校核其是否满足 本规程第7.2.22条的规定：剪力增中其他连梁和墙肢的弯矩设计值宜视调幅连梁数量的多少面相应适当 增大” 所谓“按剪压比要求降低连梁剪力设计值及弯矩，并相应调整抗震墙的墙肢内力”，用俗话说，就是 “连梁不足墙来补”：而“剪力墙中其他连梁和墙肢的弯矩设计值宜视调幅连梁数量的多少面相应适当增 大”，则意味着除了“连梁不足墙来补”，还可能需要“本梁不足它梁补”，总而言之，上述规定都指示可以 对连梁和墙肢进行内力调整. 如何进行连梁墙肢的内力调整，规范并未明确提供. 连梁内力调整主要对地震内力面言. 地震内力属 于动力，与静力有很大区别. 实际上，连梁地震弯矩、剪力采用CQC或SRSS组合后已不存在静力平衡，同 时剪力与弯矩之间的微分关系也不存在. 连梁墙肢内力调整首先应能够采用动力分析方法. 另一方面，连梁地震剪力满足剪压比要求相当于限制连梁的地震剪力不能超过相应于其剪压比的剪力 值. 换言之，连梁最大只能承受相应于其剪压比的地震剪力值，设考虑水平地震作用组合的连梁计算剪力 设计值为V，相应于其剪压比的剪力设计值为V Ve ≤Veo (1) (2) V=17b (3) 式中，k与连梁跨高比有关，当跨高比大于2.5时，k=0.2，当跨高比不大于2.5时，k=0.15. YRg为构件 承载力抗震调整系数，对于受弯状态为0.75，受剪状态为0.85. β为混凝土强度影响系数. f为连梁混凝 土轴心抗压强度设计值.b，hg分别为连梁宽度和截面有效高度. nvp为连梁剪力增大系数，一级可取1.3， 二级可取1.2，三级可取1.1.M，M分别为连梁左右端截面顺时针或递时针方向的弯矩设计值. L为连 梁净跨长度. VG为在重力荷载代表值作用下按简支梁计算的梁端截面剪力设计值. 因此，连梁内力调整可视为采用动力分析方法并满足式（1）. 为达此目的，可以采用ETABS的内力释 放（松弛）功能 4关于连梁地震剪力释放 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 梁的剪力释放实际上是杆件内力释放的一部分. 它指对梁的剪力进行部分或全部释放，并通过框架部 分固定弹簧刚度加以实现. 框架部分固定弹簧刚度是对应于剪力的点弹簧刚度，单位为kN/m. 本质上连梁 剪力释放相当于控制杆件端部沿剪力方向自由度的释放. 这个功能仅能用于杆件单元，不能用于壳单元. 剪力释放应在梁的端部进行. 由于梁的两端若同时进行剪力释放将会造成不稳定情形（不能正确地将 作用在该杆件上的荷载传递到结构的其余部分），再考虑到地震剪力全跨一样，所以实用中可在连梁中部 增设一节点形成两根梁，再将这两根梁在增设节点处进行同样的剪力释放，即，一个在梁的起端剪力释放， 一个在梁的终端剪力释放，两者的框架部分固定弹簧刚度值相同. 注意，这里的剪力释放与连梁刚度折减 完全是两回事. 剪力释放是对截面2轴设定有限的部分固定弹簧剪切刚度，连梁刚度折减是对截面33轴 设定有限的部分固定弹簧弯曲刚度. 如图2所示. 定-释效/留分属定 0 GA 开始 开始 口口 TR 3/ 力（轴) 2000 男力3（主钟) /s 36 口 3s/rat 2次物 -s/rst 晚6 35(注物) a-s/rst 定关应用 图2ETABS内力释放界面 对于连梁地震剪力释放究竞应该设置多大的部分固定弹簧刚度，事先并不知道. 一般的做法是由组合 内力试算确定. 实际上，部分固定弹簧刚度介于完全固定弹簧刚度与0之间. 完全固定弹簧刚度可看做无 穷大. 随着超限连梁剪力V的释放越来越接近Veo，部分固定弹簧刚度越来越小. 注意，同一截面连梁，剪 近相应于剪压比的剪力设计值. 连梁地震剪力释放就是将连梁的剪力2采用部分固定弹簧刚度进行释放，直接进行一般的动力分析 （振型分解法）求得各构件的地震内力. 计算表明，采用剪力释放功能后： 1.可以毫无困难的进行动力分析. 2.得到的连梁地震内力数值减小，与没有采用连梁剪力释放功能时图形形状相同，超限连梁可以转变为 满足剪压比要求. 3.其他某些原来不超限的连梁也可能需要进行剪力释放. 4.剪力释放后的连梁计算箍筋和计算纵筋有所减少，但由于需满足构造要求，实配箍筋一般相差不大：墙 肢计算配筋（主要是暗柱主筋）有的加大，有的减少. 5.考虑连梁剪力释放后，结构的基底剪力有所减少，周期有所增大，层间位移角有所增大. 考虑连梁剪力释放后的实用设计对策为： 1.将连梁按梁输入，并在其中点增设一节点，将原来的一根连梁分成两根. 将连梁绕局部坐标系33轴的 惯性矩指定修正系数（刚度折减系数）为0.8~0.9. 对剪力2设定部分固定弹簧刚度，不断试算至连梁 最大组合内力略小于相应于剪压比的剪力设计值. 2.进行剪力释放后并满足剪压比要求的连梁箍筋不应小于按剪压比剪力V计算的箍筋数量：上下纵筋不 应小于按连梁全跨均为剪压比剪力时梁端的弯矩设计值（下式近似按连梁跨中弯矩为零，且梁上无外 荷载导出） 5
