王 星

(新疆石河子建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院(有限公司)，新疆 石河子 832000)

0 引言

在鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，很多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者因?qū)ν瑸闄M向受力構(gòu)件的框架梁和連梁概念相互混淆，進(jìn)而因執(zhí)行了錯(cuò)誤的理論和模型模擬，對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算產(chǎn)生非常大的差異，從而造成工程造價(jià)偏高，更有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)存在安全隱患。本文通過(guò)現(xiàn)有理論研究對(duì)框架梁和連梁的破壞形態(tài)區(qū)別、概念及計(jì)算區(qū)別分別進(jìn)行闡述，并通過(guò)對(duì)目前在運(yùn)用中最為廣泛的建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM的應(yīng)用，通過(guò)比較兩個(gè)不同構(gòu)件單元在實(shí)際模型計(jì)算設(shè)計(jì)中的建模、計(jì)算及結(jié)果反映等做一總結(jié)，使讀者對(duì)兩者的區(qū)別有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。希望對(duì)初學(xué)者及兩者概念模糊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者有所幫助。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)中框架梁和連梁的破壞區(qū)別

(1)連梁起著調(diào)節(jié)和保證與之平面內(nèi)相連剪力墻的側(cè)向剛度的作用，是抗震剪力墻結(jié)構(gòu)中第一道抗震防線(xiàn)，起著消耗地震能量的作用。具有足夠強(qiáng)度、剛度和良好變形性能的連梁的剪力墻，在遭受強(qiáng)烈地震時(shí)，多數(shù)連梁在墻肢屈服之前先屈服，從而發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的塑性變形能力?；谶B梁上述特點(diǎn)，在實(shí)際工程中，當(dāng)具有連梁相連的剪力墻受到設(shè)計(jì)極限承載力時(shí)連梁多發(fā)生剪切破壞。

(2)框架梁由于跨高比較大，其變形以彎曲變形為主，受彎效應(yīng)大于受剪效應(yīng)，構(gòu)件以發(fā)生彎曲破壞為主。

2 框架梁和連梁在概念定義上的區(qū)別

一般認(rèn)為：與兩側(cè)剪力墻平面內(nèi)相連，跨高比＜5，且兩側(cè)剪力墻長(zhǎng)度能滿(mǎn)足梁縱筋錨入墻內(nèi)的長(zhǎng)度≥LaE(抗震設(shè)計(jì)時(shí)的錨固長(zhǎng)度)的梁，實(shí)際模擬中按連梁考慮，因?yàn)榇藭r(shí)的橫向受力構(gòu)件無(wú)論從自身剛度還是與兩側(cè)平面內(nèi)相連的剪力墻受力變形協(xié)調(diào)來(lái)看都與第二條描述的連梁破壞特點(diǎn)相似；與之相反，當(dāng)跨高比≥5時(shí)，因?yàn)闃?gòu)件較“柔”，不能達(dá)到連梁所期望的效果，多按框架梁考慮。實(shí)際運(yùn)用中，除上述界定框架梁和連梁外，如為連梁還需滿(mǎn)足梁高度≮400 mm。

3 框架梁和連梁理論計(jì)算公式，系數(shù)調(diào)整及構(gòu)造上的區(qū)別

在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，允許連梁的剛度有大幅度的降低，在某些情況下甚至可以讓其退出工作，但是框架梁的剛度只允許有限度的降低，且不允許其退出工作，所以規(guī)范有對(duì)連梁剛度進(jìn)行折減的規(guī)定，并且規(guī)定次梁是不宜搭在連梁上的(即次梁以框架梁為支座)，而次梁是可以搭在框架梁上的。一般說(shuō)來(lái)連梁的跨高比較小(小于5)，以傳遞剪力為主，所以規(guī)范對(duì)連梁在構(gòu)造上作了一些與框架梁不同的規(guī)定：一是要求連梁的箍筋是全長(zhǎng)加密而框架梁可以分為加密區(qū)和非加密區(qū)，二是對(duì)連梁的腰筋作了明確的規(guī)定即“墻體水平分布鋼筋應(yīng)作為連梁的腰筋在連梁范圍內(nèi)拉通連續(xù)配置；當(dāng)連梁截面高度大于700mm時(shí)，其兩側(cè)面沿梁高范圍設(shè)置的縱向構(gòu)造鋼筋(腰筋)的直徑不應(yīng)小于8 mm，間距不應(yīng)大于200 mm；對(duì)跨高比不大于2.5的連梁，梁兩側(cè)的縱向構(gòu)造鋼筋(腰筋)的面積配筋率不應(yīng)小于0.3%”，而框架梁的腰筋只要滿(mǎn)足“當(dāng)梁的腹板高度hw≥450 mm時(shí)，在梁的兩個(gè)側(cè)面應(yīng)沿高度配置縱向構(gòu)造鋼筋，每側(cè)縱向構(gòu)造鋼筋(不包括梁上、下部受力鋼筋及架立鋼筋)的截面面積不應(yīng)小于腹板截面面積bhw的0.1%，且其間距不宜大于200 mm。

在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框架梁和連梁的受彎，受剪計(jì)算公式基本相同，但是受剪截面限制條件又有一定的區(qū)別：依據(jù)新版《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)對(duì)于框架梁和連梁受剪截面計(jì)算公式均有跨高比＞2.5和跨高比≤2.5之分，并且各抗震等級(jí)的框架梁和三、四級(jí)抗震等級(jí)的連梁計(jì)算公式是相同的：(以下公式引用規(guī)范為新版GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》)

考慮地震組合的矩形、T形和I形截面框架梁，當(dāng)跨高比大于2.5時(shí)，其受剪截面應(yīng)符合下列條件：

抗震等級(jí)為三、四級(jí)的連梁受剪截面限制條件同上述兩公式，詳見(jiàn)該規(guī)范11.7.9-1式及11.7.9-3式，而對(duì)于一、二級(jí)抗震等級(jí)的連梁，當(dāng)跨高比不大于2.5且連梁寬度≮250 mm時(shí)，其截面限制條件式將11.3.3-2式中的0.15改為0.25。此外，對(duì)于框架梁和連梁的斜截面受剪承載力對(duì)截面限制條件亦不相同，這點(diǎn)從式11.3.4及11.7.9-4，11.7.10-2也可以看出。

4 在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，分別按框架梁和連梁在模型中的輸入，比較結(jié)果

在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何才能正確模擬框架梁和連梁的破壞形態(tài)，做到理論與實(shí)際接近，而模擬輸入時(shí)又能符合理論，正是每個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者最關(guān)心、要解決的問(wèn)題，現(xiàn)以應(yīng)用最廣泛的PKPM系列建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)此問(wèn)題做些探討。

4.1 框架梁和連梁在建模時(shí)的輸入方式對(duì)比

按梁輸入是指將要輸入的連梁按框架梁定義，先布置剪力墻，然后在墻間以框架梁的方式布置梁；而按連梁輸入是指先布置整片墻，再根據(jù)連梁位置布置洞口，這時(shí)會(huì)在洞口上方形成梁。需注意的是：按框架梁輸入的梁可在SATWE前處理信息中的“特殊構(gòu)件”定義中修改梁信息使之成為連梁；而按連梁方式輸入的梁卻不可修改成框架梁，即此種方式輸入是不可逆。

4.2 框架梁和連梁不同輸入時(shí)軟件計(jì)算方法的對(duì)比

在PKPM軟件中，當(dāng)構(gòu)件按框架梁構(gòu)件輸入時(shí)，SATWE程序在結(jié)構(gòu)分析模型的簡(jiǎn)化中，將梁、柱、支撐(包括斜柱、斜梁等)均作為一維構(gòu)件，采用兩端帶剛臂的空間桿單元來(lái)模擬其受力狀態(tài)，在其空間桿單元?jiǎng)傟囍锌紤]了剪切變形的影響，在處理?xiàng)U單元和殼單元的連接時(shí)，程序通過(guò)增加罰單元來(lái)近似模擬沿梁高方向的梁、墻變形協(xié)調(diào)(但并非完全協(xié)調(diào))；

而按連梁 (墻體開(kāi)洞形式形成連梁)輸入時(shí)，SATWE程序采用殼單元模擬剪力墻，對(duì)于尺寸較大的剪力墻或帶洞的剪力墻按照子結(jié)構(gòu)的基本思想，由程序自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行細(xì)部劃分，形成若干小殼元，然后計(jì)算；此時(shí)，連梁作為剪力墻的一部分，和剪力墻一起按四節(jié)點(diǎn)等參殼元進(jìn)行單元剖分和內(nèi)力計(jì)算，如果梁、墻相交處單元形式相同，則連梁在墻、梁交界處變形完全協(xié)調(diào)。

由此兩種構(gòu)件在計(jì)算中作為不同單元，在SATWE計(jì)算模擬的過(guò)程中也可看出：用空間桿單元輸入連梁的剛度要小于用墻元來(lái)輸入開(kāi)洞形成連梁的剛度，從結(jié)構(gòu)位移整體的角度來(lái)看按墻體開(kāi)洞形成連梁輸入對(duì)結(jié)構(gòu)的整體變形更為有利，但同時(shí)，我們也要認(rèn)識(shí)到此種輸入方法又因連梁剛度較大，承擔(dān)地震剪力大于按梁輸入方式而造成抗剪計(jì)算不易滿(mǎn)足。

5 結(jié)語(yǔ)

只有理解了框架梁和連梁的概念理論和實(shí)際破壞形態(tài)，以及在公式定義，參數(shù)調(diào)整和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的區(qū)別，設(shè)計(jì)者才會(huì)對(duì)兩者引起重視，在計(jì)算模型中的輸入分別加以區(qū)分，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的模擬輸入對(duì)象；同時(shí)，只有在設(shè)計(jì)實(shí)踐中合理的進(jìn)行模型簡(jiǎn)化和輸入才能得到更符合實(shí)際的計(jì)算分析數(shù)據(jù)，這兩者之間是相輔相成的。以上討論是筆者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的一些理解認(rèn)識(shí)，不足之處還請(qǐng)批評(píng)指正。

[1]司馬紅亞.剪力墻結(jié)構(gòu)模型連梁按洞口輸入和按梁輸入的結(jié)果分析及合理運(yùn)用[J].PKPM新天地,2010(1).

[2]朱杰江,錢(qián)曉康.雙肢剪力墻有限元計(jì)算模型的研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2011(4).

[3]GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].