連梁優(yōu)化設(shè)計方案研究

　　摘要： 連梁在剪力墻結(jié)構(gòu)或核心筒結(jié)構(gòu)中通常被設(shè)計成抵抗地震的第一道防線，因此在工程中應(yīng)避免將連梁設(shè)計成脆性破壞。然而在實際工程中，由于需要滿足建筑結(jié)構(gòu)的功能需求，常常將連梁設(shè)計成小跨高比連梁，小跨高比連梁的抗剪承載力低，在強震中容易發(fā)生剪切破壞，本文將就小跨高比連梁的抗震性能的優(yōu)化方案進行討論，為設(shè)計及研究人員提供參考。
　　Abstract： Coupling beams are always designed as the first line of defense against earthquake in shear wall structure or core tube structure. Therefore， the coupling beams should not be designed to the brittle failure in engineering. However， in practical engineering， because of the need to meet the functional requirements of building structure， coupling beams often designed to small span-to-depth ratio. The small span-to-depth ratio coupling beams have low bearing capacity of shear， they are easy to be shear damaged in strong earthquake. This paper will discuss the aseismic performance optimization scheme of small span-to-depth ratio coupling beam， and provide reference for the designer and researcher.
　　關(guān)鍵詞： 跨高比；連梁；抗震；優(yōu)化設(shè)計
　　Key words： span-to-depth ratio；coupling beam；anti-seismic；optimal design
　　中圖分類號：TU973 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0173-04

0 引言

　　隨著國內(nèi)外經(jīng)濟及城市化的快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)的高度及難度不斷增大，普通的框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足要求，需要高效的建筑材料及高性能的結(jié)構(gòu)形式，具有優(yōu)秀抗側(cè)剛度、較好的抗震性能的剪力墻結(jié)構(gòu)、框-剪結(jié)構(gòu)以及核心筒結(jié)構(gòu)成為超高層建筑結(jié)構(gòu)中的主流。核心筒結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)由于建筑功能需求不可避免需要開洞口，需要通過連梁將相鄰的兩墻肢連系起來。由于建筑結(jié)構(gòu)的功能需求，實際工程中，連梁通常被設(shè)計成小跨高比形式，跨高比過�。�跨高比小于2.5[1]）的情況下容易在地震中發(fā)生剪切破壞，屬于脆性破壞。然而，在實際工程中，往往將剪力墻結(jié)構(gòu)或者核心筒結(jié)構(gòu)中的連梁設(shè)計為抗震的第一道防線，因而，為滿足建筑及結(jié)構(gòu)的需求，國內(nèi)外學(xué)者提出了各式各樣的小跨高比連梁的優(yōu)化設(shè)計，本文將就幾種不同的小跨高比連梁抗震性能優(yōu)化進行闡述。

1 連梁的破壞形式

　　在地震發(fā)生時，連梁主要受垂直于梁方向的豎向荷載作用，主要有脆性破壞（剪切破壞）和延性破壞（彎曲破壞）兩種形式。對于脆性破壞的連梁，其抗剪承載力較差，在強震下容易瞬間喪失承載力，導(dǎo)致破壞的連梁兩端的墻肢失去約束，成為獨立的墻肢，則使整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度降低，變形加大。對于延性破壞的連梁，其抗剪承載力高，在強震下會形成交叉的裂縫，但不至于瞬間破壞，連梁會在地震反復(fù)過程中吸收大量能量的同時對墻肢起到約束作用，使剪力墻結(jié)構(gòu)在震中仍能保持足夠的強度和剛度，從而保證整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。
　　連梁在抗震設(shè)計中被設(shè)計成第一道防線，在地震發(fā)生時，期望其能夠發(fā)生延性破壞并且能夠耗散地震能量，起到保護其他更重要構(gòu)件的目的。因此，在工程設(shè)計中需將連梁設(shè)計成延性的彎曲破壞。

2 連梁優(yōu)化主流方案

　　對于小跨高比連梁，其容易發(fā)生脆性剪切破壞，在工程中，不允許連梁的剛度過大，且連梁作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的第一道防線，在設(shè)計中需做到“弱連梁”，即保證連梁先與剪力墻或框架柱先破壞。在實際工程設(shè)計中，常常遇到連梁超限的情況，需對連梁抗震性能進行優(yōu)化。
　　2.1 連梁尺寸
　　在連梁超限時，工程設(shè)計人員首先對連梁的尺寸進行優(yōu)化，這也是最有效果的。由梁的截面剛度EI=bh3/12可知，連梁截面高度對連梁的截面剛度影響較大，故設(shè)計人員通常通過減小連梁截面高度、增大截面寬度的方法來減小連梁的剛度。此外，增大連梁的跨度來增大連梁的跨高比也可以達到避免連梁發(fā)生剪切破壞的目的。但改變連梁的截面尺寸及跨度需配合整體建筑、結(jié)構(gòu)的功能來設(shè)計。
　　2.2 剛度折減
　　由于連梁在剪力墻結(jié)構(gòu)或核心筒結(jié)構(gòu)中受力和變形非常集中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中通過對連梁的剛度進行折減，考慮連梁較早進入塑性狀態(tài)后剛度退化的影響，從而達到“弱連梁”的效果，使其在地震發(fā)生充分耗散地震能量而保護剪力墻構(gòu)件�！陡咭�(guī)》中做出：“在內(nèi)力與位移計算中，抗震設(shè)計的框架-剪力墻或剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁剛度可予折減，折減系數(shù)不宜小于0.5”[34]的規(guī)定。范重[35]通過建立精細的連梁彈塑性模型，研究了連梁在地震中剛度退化與結(jié)構(gòu)耗能的情況，認為可以根據(jù)連梁的彈塑性響應(yīng)來確定連梁的等效剛度折減系數(shù)。
　　2.3 配筋方案
　　在小跨高比連梁中，傳統(tǒng)的縱筋及豎向的箍筋對抗剪承載力及抗震性能的作用很小，甚至在剪切破壞處若無箍筋覆蓋，箍筋將起不到抗剪作用�；�于此，國外學(xué)者Paulay[7]提出了一種將鋼筋斜對角安置，形成一種帶有斜對角暗柱的連梁如圖1，該方法能夠有效利用斜鋼筋的抗拉性能，有效提高小跨高比連梁的抗震性能。其他學(xué)者[8]也在此基礎(chǔ)上做了相關(guān)試驗研究，結(jié)果均表明，采用該優(yōu)化方法的小跨高比連梁具有較好的延性和抗震耗能能力。目前，我們規(guī)范中提出了當連梁截面寬度大于400mm時，可采用該配筋方法[1]。

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