1、高层建筑连梁设计摘要:通过分析高层剪力墙结构中连梁的特性、工作机理和破坏机制，并结合规范对连梁的设计构造和超筋问题提出几点要求和措施，以期指导实践。关键词:连梁，脆性破坏，延性破坏1.引言杭州西湖风景园林是研究中国传统园林理论与实践的重要样本。风景建筑作为西湖风景区中主要的人工元素,具有与自然山水一样重要的作用和价值。通过研究西湖风景建筑,可以补充和扩展西湖园林理论,对继承和发展传统园林艺术有重要的现实意义。论文以西湖传统风景建筑为核心,展开包括历史、做法、风格等多方面的研究,主要采用综合利用图文资、实地考察调研的方法,取得了一定成果,主要体现在以下几个方面:(1) 基本梳理了西湖传统风景建筑
2、的历史发展脉络,论述不仅限于建筑本身,而且结合各时期社会及自然环境进行有联系的讨论,对建筑变化趋势给出了一定的解释,总结西湖风景建筑发展历程中的若干要点,即与自然风景紧密联系、具有灵活的功能性、高度开放的公共属性以及高超的建造技艺。(2) 以西湖十景中的平湖秋月、三潭印月、曲院风荷为例,采用图文结合的方法,收集、分析大量历史文献和图像资料,整理出了这些景点的变迁脉络,对景点格局的形成,建筑布局及形式的变化等有一定新的发现,并总结了各个景点发展成型过程中的影响因素和建筑特点。(3) 基于实地测量,分别从台基、大木构架、小木装修、屋顶、木雕与色彩、风格取向等方面对西湖地区传统木结构风景建筑展开对比
3、研究,总结出了 一些做法特点,认为在建筑风格取向上追求通透、轻盈和素雅。最后以平湖秋月御书楼、平湖秋月御碑亭、曲院风荷御碑亭、花港观鱼御碑亭等单体建筑为例,绘制建筑图纸,利用计算机软件进行三维建模,能够为西湖传统风景建筑的保护和建设提供有益的借鉴。2. 研究背景西湖这一片并不十分辽阔的地域,有着一段地理、人文、社会等诸多因素相互交织的发展历程,其内涵的丰富性和多层次性非常值得关注,不同专业的学者可以从各自的研究角度进行解读。而从风景园林角度看,西湖是一个有着一千多年风景园林史的湖泊,是中国传统园林的杰出典范,她在园林艺术上所达到的高度为世人所公认。今天,对中国传统园林的认识和研究出现了新的趋势
4、。肇始于20世纪30年代的中国园林研究?经过80多年的发展,已经架构出其在历史、文化等方面的宏观体系,为今天的研究和实践打下坚实的基础。随着研究的深入,在对象选择上进一步细化,展开以地域、类型、个案等为导向的专题研究。在研究视角上有了很大的拓展,比如从社会、文化、经济等多方面对传统园林进行跨学科的探讨。近年来,在当代史学观的影响下,国内外学者开始对中国传统园林史学的研究范式进行反思,并出现了新的趋势。一些学者抛开了以国家为单位进行宏大叙事的依恋,开始关注时段性和地域性;提出了在典型性之外,还应该注意到园林的变化性和多样性;认为园林并非处于静态的恒定不变之中,而具有动态变化。西湖风景建筑简史诚然
5、,建筑作为一门技术有着从萌芽到成熟的线性发展规律,但本章的论述更倾向于将其视为一种工具和手段,考察风景建筑在各历史时期的应用趋势和特点、与风景园林的关系以及所能起到的作用等。故而对各时期的阐述不仅限于建筑本身,也关注与建筑相关的社会环境。正如特伦斯霍克斯(Terence Hawkcs)所说“一种因素的本质就其本身而言是没有意义的,它的意义事实上是由它和既定情境中的其它因素之间的关系所决定的。“今人普遍认为西湖风景园林肇始于中唐,兴起于五代,鼎盛于南宋,历元、明之兴衰、变化,而在清代达到历史发展的高峰,复于20世纪迎来新的发展。风景建筑作为其中的重要组成部分,也呈现同样的发展态势,分述如下。连梁
6、是指在剪力墙结构和框架剪力墙结构中连接剪力墙与剪力墙、剪力墙与框架柱且跨高比小于5 的梁。连梁往往受建筑设计的限制具有跨度小，截面大，在水平力作用下与之相连的构件刚度大，容易出现剪切斜裂缝等特点。连梁在结构中除了承受竖向荷载外, 在水平荷载作用下, 也会产生不小的内力。连梁在风荷载和水平地震作用下, 端部产生的弯矩, 剪力和轴力, 能够减小与之相连的墙肢的内力和变形, 对墙肢起到一定的约束作用, 改善墙肢的受力状态。2 连梁的工作和破坏机理在风荷载和地震荷载作用下，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
7、定的约束作用，改善了墙肢的受力状态。高层建筑剪力墙中的连梁在水平荷载作用下的破坏可分两种，即脆性破坏（剪切破坏）和延性破坏（弯曲破坏）。连梁在发生脆性破坏时就丧失了承载力，在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时，各墙肢丧失了连梁对它的约束作用，将成为单片的独立梁。这会使结构的侧向刚度大大降低，变形加大，墙肢弯矩加大，并且进一步增加 效应（竖向荷载由于水平位移而产生的附加弯矩），并最终可能导致结构的倒塌。连梁在发生延性破坏时，梁端会出现垂直裂缝，受拉区会出现微裂缝，在地震作用下会出现交叉裂缝，并形成塑性绞，结构刚度降低，变形加大，从而吸收大量的地震能量，同时通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力，对墙肢起
8、到一定的约束作用，使剪力墙保持足够的刚度和强度。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、加宽，直到混凝土受压破坏。3、设计的建议在墙肢和连梁的协同工作中，剪力墙应该具有足够的刚度和强度。在正常的使用荷载和风荷载作用下，结构应该处于弹性工作状态，连梁不应该产生塑性铰。在地震作用下，结构允许进入弹塑性状态，连梁可以产生塑性铰。根据抗震设计规范总则的要求，建筑物在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，一般不损坏或不需修复仍可使用，当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。因此，剪力墙
9、的设计应该保证不发生剪切破坏，也就是要求墙肢和连梁的设计符合强剪弱弯的原则，同时要求连梁的屈服要早于墙肢的屈服，而且要求墙肢和连梁具有良好的延性。因此在实际工程中要使连梁设计满足强剪弱弯的原则就必须考虑以下几个方面：3.1、关于连梁刚度的折减。连梁由于跨高比小，与之相连的墙肢刚度大等原因，在水平力作用下的内力往往很大，连梁屈服时表现为梁端出现裂缝，刚度减弱，内力重分布。因此在开始进行结构整体计算时，就需对连梁刚度进行折减。根据钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程第 4 1 7 条规定：“在内力与位移计算中，所有构件均可采用弹性刚度，在框架 剪力墙结构中，连梁的刚度可予以折减，折减系数不应小于
10、0.55.”一般在实际设计中我们在 0.551 之间取值，以符合截面设计的要求。联肢抗震墙在水平地震力作用下，连梁两端弯矩相同、反弯点在跨中。连梁的剪跨比较小、刚度大，若按连梁实际刚度进行结构分析，所得连梁剪力值较大，可能超过剪压比限值，使连梁剪切破坏。对于抗震设计，连梁的刚度并不是越大越好，而是要适当降低连梁刚度。2001 规范规定，抗震墙连梁的刚度可以折减，折减系数不小于 50。89 规范的折减系数为不小于 60。连梁刚度折减后，使水平地震力产生的梁端约束弯矩降低，同时也降低了连梁的剪力和剪压比，避免剪切破坏，有利于实现强剪弱弯的延性连梁。3.2 连梁剪力设计值按强剪弱弯的设计原则，连梁的
11、剪力设计值要由其实际的受弯承载力确定。89 规范一级抗震墙的连梁即按实际受弯承载力计算连梁剪力设计值。2001 规范作了简化，采用增大系数计算连梁组合的剪力设计值，增加了对三级抗震墙连梁的增大系数；9 度时，还要按实际的受弯承载力计算剪力设计值，取两者的大者验算受剪承载力。增大系数的取值，主要考虑了材料的实际强度、连梁实配受弯钢筋的面积超过计算所需的面积，以及不同抗震等级对“强剪弱弯”的不同要求。需注意的是，连梁两端弯矩设计值之和为顺时针方向之和及逆时针方向之和两者的较大值。如何调整跨高比不大于 2.5 的连梁的剪力设计值，规范未作规定。3.3 连梁斜向配筋跨高比小的连梁容易剪切破坏，即使是按
12、强剪弱弯设计，在梁的两端屈服出现塑性鉸后，仍难避免剪切破坏。为了改善跨高比小的连梁的性能，从而改善联肢墙的抗震性能，2001 规范增加了连梁斜向配筋的规定。有两种斜向配筋的方式：有箍筋的暗柱和无箍筋的钢筋。试验研究表明，连梁配置斜向交叉暗柱，可以提高连梁的受剪承载力、剪切变形能力和耗能能力，使抗震墙具有良好的抗震性能。配置无箍筋的斜向钢筋，对连梁的抗震性能也有一定的改善。2001 规范规定，筒中筒结构的一、二级核心筒和内筒的跨高比不大于2 的连梁，宜配置斜向交叉暗柱，暗柱承担全部剪力；其它结构一、二级抗震墙跨高比不大于 2 的连梁，采用无箍筋的斜向交叉钢筋，作为改善受力性能的构造措施。从施工的
13、角度，连梁厚度较小时，斜向暗柱的施工困难。因此，规范规定配置暗柱的连梁厚度不小于 400mm；若连梁厚度小于 400mm，则配置斜向交叉构造钢筋。3.4 加连梁跨度减少高度。在连梁设计中，刚度折减后，仍可能发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够的情况，这时可以增加洞口的宽度，以减少连梁刚度。减少了结构的整体刚度，也就减少了地震作用的影响，使连梁的承载力有可能不超限。如果只是部分连梁超筋或超限，则可采取调整连梁内力来解决。调整的幅度不宜大于 20%，且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。3.5、增加剪力墙厚度。亦即增加连梁的截面宽度，其结果一方面由于结构整体刚度加大，地震作用产生的内力增加，
14、另一方面连梁的受剪承载力与宽度的增加成正比。由于该片墙厚增加以后，地震所产生的内力并不按墙厚增加的比例分配给该片剪力墙，而是小于这个比例，因此有可能使连梁的受剪承载力不超限。3.6、提高混凝土等级。混凝土等级提高后，结构的地震作用影响增加的比例远小于混凝土受剪承载力提高的比例，有可能使连梁的受剪承载力不超限。上述各种措施中，在能满足整体刚度的情况下，可先采用刚度折减，如仍超限可采用其余各种措施。4、连梁的配筋计算根据钢筋混凝土高层建筑结构设计和施工规程，在连梁设计方面，对于连梁非抗震设计，抗震设计时跨高比大于 25 及小于 25 两种情况，在截面受剪承载力及配筋方面均有不同规定。在结构计算时这
15、类连梁往往发生受剪承载力的超限，这时可以将受力筋均匀布置，同时考虑到连梁以承载水平荷载为主，支座弯矩主要由水平荷载引起，在反复的水平荷载作用下支座截面上、下受拉筋面积相近，可以采用截面对称配筋。在连梁配筋中，配置平行筋往往导致斜向受拉破坏或由于箍筋过量而发生剪切滑移破坏，这些破坏将导致连梁的滞回曲线变坏，耗能能力下降。若采用菱形配筋方式，可以克服这些不足之处。5、结 语高层建筑剪力墙连梁的设计受很多因素的制约。连梁的内力和剪力墙的多少、每片剪力墙的水平力大小、连梁的刚度、与之相连的墙肢刚度等都有关。因此在设计时，问题是比较复杂的，设计时要把互相制约的因素统一协调，以取得比较理想的结果。连梁设计作为剪力墙结构设计中一项重要环节，受内力、刚度等很多因素的制约，所以应当首先了解其工作机理及特性，并从概念设计的需要和可能，在满足各项要求的情况下对其进行设计。参考文献:1 北京市建筑设计研究院 建筑结构专业技术措施M 北京: 中国建筑工业出版社，2006：20-45.2 王志全 高层建筑剪力墙中的连梁设计J 山西建筑，2007，33( 31) : 79-803 JGJ3- 91, 钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程S!.4GB11- 89, 建筑抗震设计规范 S.5 GBJ10- 89, 混凝土结构设计规范 S.
