建筑工程论文发表浅议剪力墙双连梁设计

　　摘要：通过对双连梁和单连梁受力等效简化分析比较，研究双连梁和单连梁在水平荷载作用下的受力性能。分析双连梁的自振周期、最大剪力、最大弯矩等特性, 寻求其随连梁跨高比、上下连梁间距变化的规律,。总结双连梁在实际工程应用中的优点和存在的不足。分析结果说明双连梁能够很好地降低连梁的内力, 双连梁在改善高层建筑受力性能中有着优良的表现, 是一种不错的连梁方案。

　　关键词：双连梁,自振周期,最大剪力,最大弯矩,跨高比

　　一、前言

　　连梁一般指两端与剪力墙相连且跨高比小于5的梁。一方面, 水平荷载作用下, 剪力墙墙肢产生变形, 连梁两端产生相对转动, 连梁产生剪力和弯矩;另一方面, 连梁的弯矩、剪力反作用于墙肢, 使墙肢、连梁形成共同作用, 从而改善墙肢的受力状态。连梁通常根据小震弹性, 中震屈服等原则设计, 使其作为抗震耗能的第一道防线,从而避免墙肢过早的发生破坏。因此合理设计的连梁，对于改善剪力墙的受力性能有重要的作用。但有时连梁设计中常常存在截面最大抗剪承载力不满足要求的问题, 为此通常增大剪力墙的洞口宽度，对连梁刚度进行折减、调幅等方法以降低连梁的内力。但在很多时候连梁仍然会超筋, 因此探寻一种新型的连梁处理方案对于改善连梁的设计十分重要, 而双连梁能够很好地降低连梁的内力, 改善高层建筑受力性能，越来越得到许多结构同仁的认可。

　　二、双连梁介绍

　　双连梁是将单根连梁分解为两个有一定协同功能的上、下连梁, 上、下连梁间设有一定的间距,以便于施工, 上下梁间不需进行连接, 并可以分别进行设计、施工。根据受力大小的不同, 双连梁的上、下梁可以分别采用梁高相同或不同的普通混凝土梁方案, 上、下梁也可以分别采用刚度折减等措施。对于与单连梁相同跨度的双连梁, 由于双连梁不同于两根独立工作的连梁, 而是共同工作的连梁, 故双连梁的跨高比定义为跨度 /上下梁总高度。运用ETABS等空间有限元程序，可以将双连梁建在模型中进行简单的分析比较。

　　一般双连梁可以分为两种：一种是跨高比较小的连梁中部分水平缝形成双连梁，缝宽一般为50或100mm;另一种是中间逢比较大，形成水平开洞，高度通常达到300-600mm左右。

　　三、双连梁分析比较

　　1. 为什么要分缝?

　　跨高小的高连梁通过设水平缝形成双连梁、多连梁，其破坏形态从剪切破坏变为弯曲破坏。连梁增大剪跨比的同时，也相应地降低了连梁的刚度，提高了延性。

　　2. 设缝的目的?

　　结构抗震性能的关键点在于耗能元的总量以及结构的层次性。对于普通砼结构其耗能元就是塑性铰，双连梁的设置无形中增加了结构体系的冗余度和成铰数量，从而能有效提高结构体系的抗震能力，所以对抗震是有利的，对于重要的建筑可以有意识主动去设置。不要把设双梁仅仅看做一种解决连梁超筋的手段，而要做为一种提高结构体系抗震能力的有效途径。

　　3. 与普通连梁相比, 双连梁具有的优点：

　　(1). 在不同的跨高比时, 横截面积相同的双连梁较单连梁具有更小的剪力和弯矩, 设有双连梁的结构自振周期小于设有单连梁的结构, 顶点水平位移前者大于后者。

　　(2) .随着跨高比的增加, 双连梁的剪力较单连梁剪力下降更快; 随着跨高比增加, 双连梁的弯矩逐渐减少, 而单连梁的弯矩先增大后保持稳定。随着跨高比增加, 双连梁最大剪力、弯矩与单连梁最大剪力、弯矩的比值逐渐降低, 说明跨高比越大, 双连梁的优势越明显。

　　( 3). 相同跨高比时, 增加上、下梁间的距离,对上、下梁的最大剪力和弯矩影响较小, 随着上下梁间距的增加, 双连梁所承受的总剪力、弯矩有较小的增加。

　　(4) .相同跨高比时, 增大上下梁的间距使上、下梁的最大弯矩、剪力变化趋势不同, 但变化较小。等截面的上、下梁的最大弯矩、剪力相差较小, 可认为使用上、下梁等截面的双连梁较合理。

　　( 5) . 双连梁的总弯矩和总剪力较单连梁小,但是双连梁的轴力较单连梁大, 这是因为双连梁形成的力偶作用改变了连梁的轴力。

　　( 6) . 双连梁能够增大建筑的可使用空间, 利于设备管线的布置, 建议间距大于200 mm。另外, 当上下梁间距大于 200 mm 时, 双连梁的上下梁能够较容易分别进行施工, 因而双连梁方案并不增加施工难度。

　　(7).双连梁方案能够很好地减小连梁的内力, 因而能够减少连梁的配筋,因此双连梁方案具有良好的经济效益, 并具有很好的应用价值。

　　四、双连梁等效计算

　　一般对于ETABS等空间有限元程序而言，可以将双连梁建在模型中分析，而对于PKPM等平面简化的程序，可以通过等效的方法处理，常用的等效方法有：(1)等抗剪切面积;(2)等抗弯刚度;(3)同时等剪切面积和抗弯刚度;(4)考虑剪切影响的抗弯刚度等。这些方法都是基于简单叠加的方法，实际上并不准确，无法真实模拟双连梁的作用。

　　目前应用较多的是第一种等效方法，等效连梁的宽度为小截面连梁宽度的 2 倍，高度与小截面连梁相等，按简单等效后的连梁截面进行结构分析计算，再根据计算结果对设置水平缝的连梁进行配筋设计，此方法一般软件均可进行计算分析，但简化处理后与实际高低双连梁受力状况有一定的偏差，其他后三种等效方法，因实际操作中不借助软件辅助设计，基本难以实现，所以运用较少。

　　朱炳寅在《对“双连梁”的认识与设计建议》一文中对第1种做法进行了比较分析，指出了简单等效存在的问题,具体分析结果如下：

　　对“双连梁”按抗剪截面面积相等的原则进行简单等效后，其截面的抗剪承载力没有改变，但等效引起了连梁实际抗弯承载力及受力状况的巨大改变。在水平缝上下设置的连梁为一对组合连梁，与并排设置的两根同截面连梁完全不同。两根并排设置的连梁，其截面特性可以是每根连梁的简单叠加(A=A1+A2，EI=EI1+EI2)，而上下并排设置的连梁的截面特性不再遵循两根梁的简单组合原则(EI≠EI1+EI2)，连梁的实际抗弯能力比两根并排设置的单梁有大幅度的提高，其主要原因是上、下设置的连梁承担着附加轴力，轴力形成的内力偶对外力起平衡作用。对连梁抗弯刚度估算的偏差将导致结构计算内力的很大变化：

　　(1). 在多遇地震作用下，连梁的超筋多为抗剪截面不够，采用简单等效的小截面高度连梁计算，则连梁刚度过小，表面的计算结果合理，掩盖了实际连梁刚度大而引起的连梁抗剪承载力不足(连梁强弯弱剪)的矛盾。而按小截面连梁计算出的连梁纵向钢筋，配置在实际抗弯刚度较大的双连梁上，将导致实际连梁吸收过多的地震弯矩，使连梁承担比计算大得多的地震剪力，地震作用时，极易出现梁端的剪切破坏，使连梁过早地退出工作。

　　(2). 在罕遇地震作用时，由于连梁剪切破坏而退出工作，使连梁两侧的墙肢变成独立墙肢，导致墙肢地震作用效应急剧增大，由于结构设计时没有按 “考虑在大震下连梁的不参与工作，按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下的结构内力分析，墙肢按两次计算所得的较大内力进行配筋设计”，大震时墙肢存在破坏的可能，结构构件各个击破，容易导致结构整体倒塌。

　　(3). 计算连梁抗弯刚度过小时，将导致连梁分担的地震作用减小，大大增加墙肢的负担(但还不足以承担罕遇地震作用时连梁剪切破坏后墙肢的地震作用)，经济性差。

　　朱总同时提出了等侧向位移试算的方法，虽然这种方法也不一定精确，但是对于结构位移和构件的内力模拟，误差是可以接受，提出的简化等效方法如下：

　　依据连梁截面抗剪承载能力反求连梁所能承担的最大弯矩，其所寻求的是与连梁梁端最大抗剪承载力相匹配的最大梁端弯矩，形成以梁端抗剪承载力控制的塑性铰，此处称其为“剪力铰”。文章建议是针对目前程序不具备“剪力铰”计算功能所提出的解决办法(即通过采用减小连梁计算截面高度进行试算的办法，寻求在连梁的计算剪力不大于实际连梁抗剪承载力的前提下，连梁的最大计算弯矩)，当程序具备“剪力铰”功能时，对超筋连梁的处理将变得更加简单。

　　以全国应用普及最广的PKPM软件来说，旧版PKPM软件只能按层间梁输入，大概模拟双连梁的受力性能，但按梁输入因梁是一维构件杆系单元和墙元模拟存在一定的差异，计算结果也不甚理想，但新版PKPM的SATWE已可以在参数中设置双连梁，为我们进一步精确分析双连梁的受力性能提供了可能。

　　五、双连梁配筋分配原则和构造要求

　　(1). 水平力作用下，利用等效连梁计算出来的内力，如何分配到双连梁上，进而设计双连梁呢，一般来说双连梁可以独立工作，按照各自的刚度分担内力，近似按上下连梁平均分配纵筋和箍筋面积，但是对于刚度变化较大的区域，双连梁的受力则有较大的差异，比如底层，刚度突变层等，实际设计中建议将等效单连梁的内力进行适当放大，然后再按照刚度分配。

　　(2). 竖向力作用下，应保证上面的连梁剪压比和抗弯能力满足计算要求，如连梁上搭有垂直方向次梁时，应验算非地震力组合工况下上连梁承担的竖向力，并按此计算结果和抗震结果取包络较大值，而不应上下连梁取相同配筋。

　　(3). 墙肢的内力，一般的等效方法都会令墙肢的内力有些变化，尤其是轴力的变化，应引起重视，可适当加强连梁两侧墙体暗柱配筋，留有一定安全储备。

　　(4). 水平缝构造,最简单的就是水平缝处用非承重砌块或聚苯板封堵，隔开上下梁，在水平缝处最好留抗滑移插筋，其余构造要求可同普通连梁。

　　六、总结

　　综上所述, 双连梁作为一种新型连梁方案, 其在受力性能方面具有较多优点，本文基于用有限元软件建立模型，对单、双连梁的力学性能进行了对比分析，但其真实的力学性能有待进一步研究和在实践中验证。而且双连梁降低了连梁的刚度，当结构对侧移有严格要求时, 应考虑其对水平刚度的降低作用。目前，国内对双连梁的研究还没有形成特别成熟统一的理论，相信随着科技技术的发展，我们对双连梁的认识和运用会逐步加深。

　　参考文献：

　　[1]朱炳寅.对双连梁的认识与设计建议[J].建筑结构技术通讯,2008.

　　[2]胥玉祥,朱玉华，赵欣，李学平.双连梁受力性能研究[J].结构工程2010,22(3)：31-36.

　　[3]曹征良,丁大钧,程文壤.剪力墙结构自控连梁的试验研究[J].东南大学学报,1991,21(4):45251.

　　[4]李奎明,孙春毅,李杰.高性能混凝土双连梁短肢剪力墙试验研究[J].地震工程与工程振动,2006,26(3): 1212123.

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