郑州某高层建筑剪力墙结构设计
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摘要：在抗震设计时,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。
关键词：破坏机理 抗震 常见问题
1、连梁的工作及破坏机理
高层建筑剪力墙中的连梁在水平荷载作用下的破坏有两种,即脆性破坏和延性破坏,其破坏形式。连梁在发生脆性破坏(剪切破坏)时丧失承载力,当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,将成为单片的独立墙肢,而使得结构的侧向刚度大大降低,变形加大,并且进一步增加P-效应,并最终可能导致结构的倒塌。连梁在发生延性破坏(弯曲破坏)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,并形成塑性铰,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。
2、连梁对剪力墙的抗震性能影响
连梁的刚度、强度和延性对开洞剪力墙的抗震性能有很大的影响。最理想的情况是连梁先于墙肢屈服,且连梁具有足够的延性,待墙肢底部出现塑性铰,多个连梁端部出现塑性铰,这些塑性铰可以吸收地震能量,又能继续传递弯矩与剪力,对墙肢形成的约束弯矩使剪力墙保持足够的刚度和承载力,墙肢底部的塑性铰亦具有延性,具有这种连梁的剪力墙延性最好。
当连梁的刚度和抗弯承载力较高时,连梁可能不屈服,首先在墙底出现塑性铰,形成底部单铰机构,墙肢只要不过早的发生剪切破坏,这种破坏仍然属于有延性的弯曲破坏,但是与前者相比,耗能集中在底部一个铰上。这种静定结构的破坏机构不如超静定结构的多铰机构抗震性能好。当连梁首先剪切破坏时,会使墙肢失去约束而形成单独墙肢。与连梁不发生破坏的墙相比,墙肢中轴力减少,弯矩加大,墙的侧向刚度大大降低。但是,如果能保持墙肢处于良好工作状态,那么结构仍可继续承载,直到墙肢截面屈服形成机构。只要墙肢塑性铰具有延性,这种破坏也是具有一定的延性。而连梁刚度和屈服弯矩较大时,在水平荷载下墙肢内的轴力很大,造成两个墙肢轴力相差悬殊,在受拉墙肢出现水平裂缝或屈服以后,塑性内力重分配的结果会使受压墙肢担负大部分剪力,造成该墙肢过早发生剪切破坏,是一种脆性破坏,几乎没有延性或延性很小。
3、工程中抗震设计常见的问题
工程中常常遇到连梁的设计,为了工程的需要,对4种不同截面形式的连梁相关信息进行了初步的计算。连梁截面如图1所示。LL1为设计中常采用的截面形式,LL2、LL3为在LL1截面高度中部设置水平通缝形成的所谓带缝连梁,LL4为增加门洞高度形成的连梁,各连梁跨度Ln均为1000mm,两侧现浇楼板厚度为100mm,平行于连梁方向的板底配筋假定为φ8@200。混凝土C30,主筋、箍筋均为HRB400级钢筋,抗震等级二级。一般而言,对大多数门窗洞口连梁,竖向荷载引起的连梁内力仅占很小比例,因此,在算例中为简化计算,忽略竖向荷载产生的相关内力,并假定连梁反弯点在跨中。连梁每侧翼缘板宽度按6倍板厚计算,连梁截面抗弯刚度计算中分为考虑翼缘作用和不考虑翼缘作用两种情况。
连梁承载力计算方法:首先按照“规程”(JGJ3一2002)中相应公式,根据连梁的跨高比,计算出连梁所能承担的最大剪力设计值,从而反算出连梁所能承担的最大弯矩设计值,由此计算出连梁配筋值,并根据实配钢筋计算出连梁的实际抗弯承载力。
(1)楼板对连梁刚度的增大作用:楼板对连梁抗弯承载力具有增强作用,因此会直接影响到连梁的工作性能。现浇钢筋混凝土楼板作为连梁的翼缘,对连梁的刚度具有一定的增大作用,并且增大的程度随连梁截面形式的不同有较大的差别。本算例中楼板对连梁LL1,LL2,LL3,LL4的刚度分别增大103%,55%,14%,110%。连梁刚度的增大无疑会使结构整体地震作用加剧,连梁也会吸收更多的地震作用;另外,连梁刚度的增大也会对保证“强墙肢弱连梁”的设计造成一定的不利影响。
图1
(2)选用降低连梁刚度的有效方法由于连梁刚度大,地震时受到的地震作用较大,所以在高层剪力墙结构中,连梁截面的超筋、超限现象难以避免。即使按“高规”规定采用05的连梁刚度折减系数,往往也无法从根本上解决连梁的超筋、超限问题。因此,大幅降低连梁刚度,是解决其超筋、超限问题的一条有效途径。
①在连梁两端留设一定高度的竖向缝,以减小梁端截面高度,竖缝可采压缩性较大的聚苯板等材料填充。此时连梁的配筋仅在竖缝以上部分配置,竖缝之间的部分可认为是连梁的吊板!,仅配置构造钢筋即可。
②从本算例可以看出,在连梁高度中部留设水平通缝形成带缝连梁,减小连梁截面高度,均可大幅度降低连梁刚度。
③对于地震作用控制的连梁,如果结构的刚度较大,位移比规定的限值小得较多,而超筋或超限的连梁数量又较多时,则可采取加大连梁洞口,减小连梁截面高度等方法,使连梁的内力减小。
但是无论采用减小连梁截面高度,在连梁两端留设竖缝,连梁有效截面高度均不宜小于400mm。对于带水平缝连梁,其上下部分有效截面高度均不宜小于300mm,以保证连梁具有足够的承载力和耗能能力。
(3)关于连梁配筋:地震作用下高层建筑的连梁内力往往很大,易出现截面超筋、超限情况。虽然采取了一定的处理措施,但有些设计人员仍将连梁的纵筋、箍筋配的很大。从该工程的计算结果可以看出,连梁的配筋远远超出了连梁的实际最大有效配筋,不仅极大浪费,而且并不能有效改善结构的抗震性能。当连梁剪力设计值超过其截面限值时,增加箍筋的配置并不能有效提高其抗剪承载力。另外,过大的纵筋配置会使连梁变成“强弯弱剪”构件,从而使连梁发生脆性剪切破坏,这也是连梁抗震设计应避免的。
(4)翼缘板内钢筋对连梁抗弯承载力的增大作用。从算例的初步计算结果可以看出,连梁两侧翼缘板内平行于连梁的钢筋对连梁抗弯承载力有明显的增大作用。LLl,LL2,LL3,LL4分别增大34%,27%,24%,40%。这将使连梁变成名副其实的“强弯弱剪”构件,连梁发生脆性剪切破坏的几率大大增加,对建筑物的抗震十分不利。板内钢筋对连梁抗弯承载力的增大作用是单向的,如:对门洞连梁而言,截面下部受压时,才有增大作用,而截面上部受压时,则没有增大作用。因此,设计上习惯采用的连梁截面上下对称配筋在这种情况下是有问题的,合理的设计方法是,根据翼缘板内配筋情况,适当减小连梁上部纵筋,使连梁截面两向抗弯承载力相等或接近,并满足“强剪弱弯”设计。
(5)一般剪力墙设计应该采用多道设防方法进行设计:当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时,可考虑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作用下结构内力分析,墙肢应按两次计算所得的较大内力进行“配筋设计”。即假定连梁大震下破坏,不能约束墙肢。因此可考虑连梁不参与工作,而按独立墙肢进行二次结构内力分析,这时就是剪力墙的第二道防线,这种情况往往使墙肢的内力及配筋加大,以保证墙肢的安全。
(6)抗震设计的剪力墙中连梁弯矩及剪力可进行塑性调幅,以降低其剪力设计值。但在内力与位移计算中,按照规程要求(即抗震设计的框架-剪力墙或剪力墙结构中的连梁刚度可予以折减,折减系数不宜小于05)降低了连梁的刚度,因此其调幅范围应当限制或不再继续调幅。当部分连梁降低弯矩设计值后,其余部位连梁和墙肢的弯矩设计值应相应提高。但是连梁调整后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况的值,也不宜低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值,以避免在正常使用条件下或较小的地震作用下连梁出现裂缝,一般情况下,调幅后的弯矩不小于调幅前的弯矩(完全弹性)的0.8倍(6度～7度)和0.5倍(8度～9度)。
4、抗震性能良好的新型连梁
(1)斜对角交叉配筋或者菱形配筋钢筋混凝土连梁,经过大量的试验证实,它们具有良好的抗震性能和滞回特性,较传统的连梁具有更好的连延性和耗能性能。
(2)劲性钢筋混凝土连梁。保证承载力不变的条件下通过在普通钢筋混凝土连梁内配置型钢,减小断面尺寸,满足对连梁高度的限制。华南理工大学有关学者进行了劲性钢筋混凝土连梁结构体系的研究。结果指出,劲性钢筋混凝土连梁具有较大的变形能力和延性系数,且随着变形的增大,滞回曲线变得十分丰满,表现出很强的抗震吸能能力。所以,该连梁的应用为连梁结构设计提供了新型的结构形式。
(3)新型组合钢连粱。该新型组合连梁是由角钢组成的空间桁架组成,和传统连梁相比自重降低,墙肢中的轴力减小;钢桁架结构不但延性好,而且受力机理也比钢筋混凝土结构简单明了,便于设计成延性破坏的连梁;在中间支撑上可以非常方便地设置摩擦耗能阻尼控制装置,可以有效地实现耗能减震,进而提高剪力墙结构体系的整体抗震性能;在大震情况下,梁端产生塑性铰之后会影响正常使用,采用钢结构连梁可以很方便地更换维修,这一点是钢筋混凝土连梁结构几乎无法实现的。
(4)带缝槽钢筋混凝土抗震联系梁。为改善带通缝连梁使剪力墙整体性大大降低的缺点,提出了带缝槽钢筋混凝土抗震联系梁的构造方案,即用纵向水平缝把联系梁分成上、下两个尺寸相同的构件,但在跨度中部有混凝土键联系着。
(5)具有新型软钢阻尼器的连梁在连梁上安装新型软钢阻尼器,是一种耗能减震控制技术,它是一种有效、安全、经济且较为成熟的工程减震技术,通过在结构的某些部位设置耗能阻尼装置或元件,将结构小变形集中到耗能装置的大变形来耗散或吸收结构振动能量,以减小主体结构的地震响应,避免结构产生破坏或倒塌。它具有机理明确、效果显著、经济合理、适用范围广、震后易于修复等特点,因此在工程结构减震控制领域有着广泛的应用。
软钢阻尼器,构造的特点有:软钢材料因其本构关系明确,性能稳定,滞回环饱满,制作简单等特点,受到工程界的重视。因此开发一种能够用于剪力墙连梁上的新型软钢(钢板)耗能构件,平面形状为矩形;钢板内部开设一定尺寸和形式的孔洞,下图为常用的开孔软钢。
5、结论
高层建筑剪力墙连梁的抗震设计受很多因素的制约。进行连梁的抗震设计时要综合考虑多方面因素对连梁变形能力、破坏形式和耗能能力的影响,仅仅依据电算结果和规范(程)的某些条款进行设计是不够的。因此在抗震设计时,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。连梁作为框剪、框筒或剪力墙结构体系作为抗震设防的第一道防线和主要地震耗能构件,其设计的合理与否直接决定着建筑物抗震性能的好坏。