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浅谈钢筋混凝土连梁的抗震剪力墙设计
发布时间:2024-01-13 23:25:58
  摘要:通过阐述钢筋混凝土周边有梁的破坏特点,抗震剪力墙的合理布置与选型,介绍了其计算原理公式,得出几点设计方案。
  关键词:荷载;计算原理;配筋方案
  0前言
  随着建筑层面的提升,对于建筑抗震而言是一个巨大的考验。近年来地震经验表明,在宏观烈度相似的情况下,处在大震级中距下的柔性建筑,其震害要比中、小震级近震中距的情况重的多;理论分析也发现,震中距不同时反应谱频谱特性并不相同。抗震设计时,对同样场地条件、同样烈度的地震,对于不同地区的建筑群的要求不同,需要采用设计地震动的强度及设计反应谱的特征周期来表征。
  1钢筋混凝土连梁的破坏特点
  钢筋混凝土连梁可视为两端与墙肢刚接连接,反弯点在跨中的反对称弯曲深梁。在风荷载和水平地震作用下,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,对墙肢起到了一定的约束作用,改善了墙肢的受力状态。起破坏形式和分两种:脆性破坏(剪切破坏)和延性破坏(弯曲破坏)。连梁发生脆性破坏时,丧失了各墙肢的约束作用,将其称为单片的独立梁。这会使结构的侧向刚度降低,变形加大,墙肢弯矩加大,并且增加P-Δ效应。连梁发生延微裂缝,并形成塑性铰,塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力,从而吸收大龄的地震能量,对墙肢起到一定的约束作用,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,直到混凝土受压破坏。连梁受力和变形与跨高比较大的细长梁或简支深梁都有很大的差别,起破坏香台与其剪压比、剪箍比、跨高比等因素有关。一般可分为弯曲滑移型破坏、弯曲剪切型破坏和剪切型破坏三种,这些均带有剪切破坏的特点,延性和耗能指标都较差。
  2剪力墙的合理布置及类型
  剪力墙的布置应遵循“均匀、分散、对称、周边”的原则。
  (1) 竖向荷载较大处、建筑物端部附近、楼梯和电梯间以及建筑平面刚度有变化处,宜设置剪力墙,以加强建筑在该处的薄弱环节。剪力墙在竖向宜对齐并直通到顶。如设计中不能全部直通到顶时,也应宜沿高度向上逐渐减少,避免刚度突变。30层以下100 m以内的高层建筑,可以每5层~7层变化一次剪力墙的刚度,向上逐渐减小。
  (2) 尽可能将纵横两个方向的剪力墙组合在一起,如图1(a) 所示。图1(b)的布置,侧向刚度和抗扭刚度均较差,故不宜采用。当建筑平面形状不规则时,剪力墙和柱网不能正交布置。
  (3) 剪力墙结构平面布置还应根据建筑的使用功能、墙体构件类型、施工工艺及综合经济技术指标等多种因素加以确定。
  
  
  图1 规则的平面
  3计算原理及公式
  框剪结构中周边有梁柱的剪力墙,在水平地震作用下,由于周边梁、柱对框内剪力墙具有约束作用,使该墙承载力比普通剪力墙高。被梁、柱所包围的各墙块称为墙单元,下面为该墙的抗剪、抗弯承载力计算公式。
  3.1抗剪承载力计算公式
  其计算简图如图2所示。
  周边梁对墙单元的约束作用,可视作有均布荷载σ1施加于墙单元上、下边缘。
  (1)
  周边柱对墙单元的约束作用,可视作有均布荷载σ2 施加于墙单元左、右边缘。
   (2)
  
  图2 计算简图
  式(1)、(2)中:fY1、fY2???周边梁、柱箍筋强度设计值;
  As1、As2???周边梁、柱箍筋截面面积;
  S1、S2???周边梁、柱箍筋间距;
  h01、h02???周边梁、柱截面有效高度。
  剪力墙最不利截面处应力σ 可由力学公式得出:
  (3)
  将式: 代入式(3)中得:
   (4)
  其中:
  将 和 代入式(4)中并整理得:
   (5)
  设 并代入式(5)得,
   (6)
  当 时,得剪力墙中混凝土承载力公式如式(6):
  
  将 及式(1)、(2)代入式(6)得:
   (7)
  由于剪力墙配有横向分布钢筋,其横向钢筋的抗剪承载力
  (8)
  综合考虑混凝土与钢筋的抗剪承载力,得公式(9):
   (9)
  轴压应力起作用,所有将式(9)中0.167N 写成 。
  从对比试验可以看出[4],反复加荷的剪力墙抗剪承载力比
  单调加载降低15%~20%,为防止地震作用下剪力墙发生脆性剪
  切破坏,将抗剪承载力降低20%是必要的。
  所以在地震组合时,其偏心受压抗剪承载力计算公式如式(10):
  
  式中:VW???设计剪力值;
  N???相应于Vw 的轴向力设计值;
  A??剪力墙计算截面全面积;
  AW???工形或T形截面剪力墙腹板面积。
  其余符号意义见文献[1]。
  3.2 抗弯承载力计算公式
  周边有梁柱的剪力墙在水平荷载作用下,其截面中的平均应变分布规律符合平截面假定,按简化后的截面应力分布简图,如图3所示。
  
  图3 截面应力分布图
  可得出剪力墙偏心压弯承载力计算公式(11):
  
  (11)
  式中:MS???弯矩设计值;
  AS???周边柱内受拉钢筋截面面积;
  f???周边柱内受拉钢筋强度设计值;
  N???轴向力设计值。
   值按文献[1]中规定计算,其余符号意义同前。
  4提高连梁抗震性能的配筋方案
  传统的配筋方案及现行规程 推荐的连梁的射进方法对采取传统配筋方案的连梁的研究开展较早,比较成熟,因其构造简单、施工方便的特点,为工程界广泛接受。现行规范为了提高连梁的抗震性能,主要采取了一下综合措施:
  4.1 控制连梁的剪压比,取与普通框架相同的剪压比限值。
  4.2梁的剪力设计值。安“强剪弱弯”原则进行调整,连梁的剪力增大系数取与普通框架的相同。
  4.3 连梁的斜截面受剪承载力验算。与普通框架梁相比,降低了箍筋部分的承载力(降低20%)(跨高比大于2.5时);当跨高比不大于2.5时,连梁的受剪承载力比跨高比大于2.5的连梁降低10%。
  4.4 连梁的刚度折减。由于剪力墙的刚度一般很大,在水平地震作用下,连梁会因为很大的内力而超过截面允许值。因此课考虑在不影响其承受竖向荷载能力的前提下,允许其适当开裂(减低刚度)而把内力转移到墙体上。这件系数不宜小于0.5,以保证连梁承受竖向荷载的能力。对连梁刚度折减后,仍发生连梁斜截面受剪承载力不够时,可区别不同的情况采取如下相应的措施:如果结构的整体刚度较大,计算位移规定的限值小,自振周期小,不满足斜截面受剪承载力要求时,可采用奸笑连梁截面高度的方法,使连梁的内力减少。如果只是部分连梁的斜截面受剪承载力不足,可对水平地震作用下连梁的弯矩及剪力进行调幅,由于已经对连梁的刚度进行过折减,应严格控制调整幅度,并适当提高其余部位连梁和强制的弯矩设计值。如经上述调整仍不符合斜截面受剪承载力要求时,可按剪压比限值确定剪力,并反算出连梁的弯矩,按“强剪弱弯”原则配置相应的纵向钢筋。如果不能保证连梁在大震时的延性要求,可按在大震作用下该连梁不参与工作,按独立墙肢进行第二次多遇地震下内力分析,墙肢应按两次计算所得较大内力进行配筋设计。必要时应重新调整结构布置,使连梁的承载力符合要求。
  4.5 构造要求。构件的抗震能力在相当大的程度上与构造有关,构造要求是实现强度验算的保证,本文提出周边有梁柱的剪力墙构造要求,供工程设计参考。
   (1)剪力墙:厚度不应小于160 mm,且不应小于墙净高的1/20。墙内水平和竖向钢筋最小配筋率不应小于0.25%,直径不应小于准8 mm,间距不应小于300 mm,双排配置。
   (2)梁:截面宽度不宜小于墙厚的2 倍,高度不宜小于墙厚的3 倍。梁内箍筋应沿梁全跨加密设置,直径不宜小于准8 mm,间距不宜大于100 mm。
   (3)柱:截面宽度不宜小于墙厚的2.5 倍,高度不宜小于宽度,柱内箍筋应沿柱全高加密设置,直径不宜小于准8 mm,间距不宜大于100 mm。
  5结语
   (1)周边梁、柱作为框内剪力墙的横、纵向加劲肋,能加强剪力墙的稳定性,并约束框内墙单元,使剪力墙的承载力得以提高。
   (2)周边有梁柱的剪力墙,在水平地震作用下,如果能保持梁,柱不被剪坏,则整个结构仍可借助梁、柱抗弯继续工作,可以做到“裂而不倒”,因此除按承载力计算公式得出的配筋外,对于周边梁、柱还应适当加强。
   (3)探讨了周边有梁柱的剪力墙承载力计算公式及构造要求,由于这方面试验资料不多,对其承载能力、变形能力、耗能能力等问题还有待进一步研究。
  
  参考文献
  [1] JGJ3?90,钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程[S].
  [2] 丁大钧,现代混凝土结构学[M].北京:中国建筑工业出版社,2000:647-662.
  [3] 曾斌.结构概念设计在框架剪力墙结构体系中的应用[D]. 北京:北京工业大学工程,2002.
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