重庆建筑大学学报!!!!!!!!!!!!!!! 第!" 卷!) 础上加设对角斜筋和上(下两组 " L#形筋菱形筋%的筋的作用'即桁架机构的作用'将随跨高比的减小逐步方案图 B%'并已通过 #" 个接近足尺试件的低周交变减弱) 试

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拙勋龚
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1 第卷第期重庆建筑大学学报年月!"#! # % #&' # 新型配筋小跨高比洞口连梁的性能及设计方法傅剑平陈京洲皮天祥白绍良重庆大学土木工程学院重庆 + 摘要洞口连梁是钢筋混凝土抗震联肢剪力墙中保证延性及耗能性能的关键部件但小跨高比洞口连梁因其特殊剪切受力机理使它在不采取特殊配筋构造措施的前提下难以满足所需的延性要求本文作者所在研究组通过对小跨高比洞口连梁的剪 ( 弯受力机理的分析研究提出了一种采用附加对角斜筋和菱形筋的新型配筋方案经过共计个接近足尺连梁试件低周反复加载试验证实这种配筋方案的洞口连梁具有良好的延性及耗能性且施工难度不大本文在总结已完成试验结果的基础上为此类新型配筋小跨高比连梁提出了一整套设计方法供工程设计及修订国家标准参考关键词抗震设计钢筋混凝土联肢墙小跨高比洞口连梁设计方法中图分类号.% + 文献标志码文章编号 *,( )( (, # # /# // /' &,! ' " #!&. <% # ( #! 08 #!( 6#.# ( #!/ - (#! '!'#&#0!# '' #!!"#!% #&' #!"#! +#! #!5' 1 15# #! 9 '4 9 ' ' #1 # ' '! 4# # #!''1' # ' '49 4 ' '# #1 &#!4 ## # &'45 ' ' 1' 1' ' ' # ' ' #!' 5' &#4'4 4 '4 ## 5' # 4# ' #! 5' 1 '4' #! '49# ' &' # 1' 4 1'5' 1. ' 4&# ' '9 '# '1' '1' 1 ( ( (4' ( # #!5' 1 44#!4#! # # # '45 '5 # 4# # '# '1' &'5''!#&' / '' ' #1' ' #1' 9' '# 1# ' # '5' &# 4 :' # 5## '9 '# '1' '1' &'5'' &'46 ' ' # '! '44' #! 4&# ' 1 ( ( (4' ( # #! 5' 1 9# '9 '# '1' '1'# 4' &#4' :' 4' #! #! 4'4# #! # 4 4! '# 1# 4' #! '# '4 1 ' ' #!5' 1 1 ( ( (4' ( # #!5' 14' #! 1' 4 联肢剪力墙或联肢核心筒壁是钢筋混凝土高层建筑中抗侧向力体系的主要构件其中连接各墙肢的洞口连梁不仅通过其跨高比影响联肢剪力墙的侧向刚度和墙肢的弯距 > 轴力比以及弯距 > 剪力比而且是联肢剪力墙在强震作用下的第一线塑性耗能构件它对联肢墙的抗震性能起着关键的控制作用根据工程需要常会在设计中采用小跨高比洞口连梁国内外的试验研究结果表明对这类连梁若再用常规框架梁的抗震设计方法进行设计已无法避免其过早发生剪切破坏从而无法满足对它的延性要求为此国内外近年来均在探讨联肢墙小跨高比连梁改善抗震性能特别是改善抗震抗剪性能的有效设计方法我国高层建筑混凝土结构技术规程 8 ( 虽然提出了通过严格控制普通配筋小跨高比连梁的剪压比和增大其抗剪箍筋的做法但这一方案仍因其剪压比控制条件过严和可能达到的位移延性偏小而有待改进为此本论文作者所在研究组自 *))) 年开始提出了一种小跨高比连梁的新配筋方案即在传统配筋基收稿日期 (*( 基金项目国家自然科学基金面上项目资助编号 +) +, 作者简介傅剑平 *)+( 男辽宁本溪人教授博士主要从事钢筋混凝土结构基本性能及抗震性能研究 0(1 # 1 49 " '4

2 重庆建筑大学学报!!!!!!!!!!!!!!! 第!" 卷!) 础上加设对角斜筋和上(下两组 " L#形筋菱形筋%的筋的作用'即桁架机构的作用'将随跨高比的减小逐步方案图 B%'并已通过 #" 个接近足尺试件的低周交变减弱) 试验证明了这一方案的良好抗震性能和工程适用性) 由于普通配筋方式的连梁已不能完全适应小跨高比连梁的这种受力趋势)所以'按照*高层建筑混凝土结构技术规程+ #""#%以下简称*高规+%的普通配筋小跨高比连梁'尽管遵守了所规定的非常严格的剪压比上限 C,,&KEF" ("' BC%'并配置了明显多余一般框架梁的箍筋'连梁在反复荷载下的延性和耗能能力仍不理想)例如'本文作者所在研究组完成的普通配筋连梁试件 #*'虽然仅刚刚进入小跨高比范围跨高比为 C%'且剪压比a"' B!D%和配箍量均符合 *高规+要求'位移延性也只是刚刚达到!' "'且耗能能力较弱见图 # /%%) 若再稍稍增大剪压比 "' B)?%' 即使配箍量仍满足 *高规+要求'位移延性只能勉强达到 "图 # S%%)而已有非线性动力反应分析结果证实'按我国规范(规程设计的一级抗震等级的高层框架 b 剪力墙及框架 b 核心筒结构中联肢墙洞口连梁大震./ 下的位移延性需求一般可能需要超过!' C*' "* ) 图 #! 试件 1Gb#* 及 1Gb#C 的 B-- 滞回曲线 B! 小跨高比连梁的受力特点及新型配筋方案对其性能的改善!! 在水平荷载作用下剪力墙产生侧向挠曲时'连梁左右两端和与其相连的剪力墙肢之间分别作用有大小基本相等'方向相反的弯矩(剪力'反弯点在多数情况下会位于洞口连梁的跨中附近) 图!! 小跨高比连梁受力特性在认真分析联肢剪力墙洞口连梁进入小跨高比范围后在低周反复受力条件下的剪 b 弯综合受力特点随着连梁跨高比的减小'连梁中的剪力@弯矩比后'本文作者所在研究组提出了图 B 所示的适用于工 C,D %将相应增大) 同时'连梁的受力特征也将从一般梁向深受弯构件甚至深梁过渡) 从受力特征来看' 程中可能出现的整个小跨高比范围的新配筋方案) 已因其具有反弯点在跨度中点附近的反对称弯矩图和全围为 "' BDC"'!B"'通过试验还考察了交叉斜筋与跨等剪力的剪力图'它的深梁特征又不同于一般简支 " L#形筋的相对数量'以及构造配箍的多少对这类洞口连梁抗震性能的影响)已完成的绝大部分试件都达或连续深梁) 在跨高比较大的细长连梁中'起主导作用的剪力完成的试验覆盖的跨高比为 "' ) C'剪压比变化范到了 C' " 以上的位移延性'即已达到新西兰学者提出传递机构是由混凝土斜压杆和竖向箍筋拉杆以及相互的交叉暗柱配筋方案小跨高比洞口连梁的延性水准) 平行的上(下弦杆所组成的桁架机构) 随跨高比的减这种方案已不存在交叉暗柱配筋方案连梁截面宽度不小'受整个梁段弯(剪变形协调条件的控制'剪力中的宜小于!C"II 的限制条件'施工难度也比交叉暗柱相当一部分将更多的通过对角斜压杆传递'在这种情配筋方案有明显改善) 况下'斜裂缝坡度普遍增大'连梁幅面内的主拉应力从总趋势上看'也变为主要沿对角线方向作用) 这时箍根据试验结果'可将本文建议配筋方案小跨高比洞口连梁的受力特点依其重要程度归纳为!

构件的剪切刚度'减小剪切变形&在主压应力作用方向' 机构与主要的对角拉 b 压杆机构相结合的总体传力机对角斜筋和" L#形筋还将协助混凝土承担主压应力) % 在较充分受力的连梁中' 与主拉(压应力的作用 # 原则上消除了构件中的薄弱部位'从而充分发挥各部趋势及配筋方式相适应'将形成如图!

3 第 # 期!!!!!!!!! 傅剑平'等!新型配筋小跨高比洞口连梁的性能及设计方法!A B%对角交叉斜筋与" L#形筋沿主拉应力方向较为均匀地分布在连梁高度上'能更好地抵抗连梁斜向主拉应在抗剪中发挥重要作用&同时'" L#形筋能与次斜压杆相适应'通过其弯折与次斜压杆形成局部拉 b 压杆传力'限制斜向裂缝开展'其中的对角斜筋更能明显提高力机构&从而形成在整个连梁范围内的局部拉 b 压杆构件的剪切刚度'减小剪切变形&在主压应力作用方向' 机构与主要的对角拉 b 压杆机构相结合的总体传力机对角斜筋和" L#形筋还将协助混凝土承担主压应力) % 在较充分受力的连梁中' 与主拉(压应力的作用 # 原则上消除了构件中的薄弱部位'从而充分发挥各部趋势及配筋方式相适应'将形成如图! 所示的单向剪分材料的潜力'保证构件达到较高延性'并表现出相对 b 弯传力模型) 从中可以看出'对角混凝土主斜压杆更好的耗能性) 构'使连梁各部位钢筋及混凝土受力较充分(较均匀' 将从侧向对连梁长度中部的混凝土形成附加的侧向约束) 在图 * 中分别给出了三个跨高比不同的本文建议的新型配筋连梁的典型试验结果)从试验结果中可以获得对这种新建议配筋方案的下列总体印象! B%几乎所有的连梁均达到了 C' "以上的位移延性'最终都是以某个受斜压应力较充分部位混凝土的斜向压溃导致结构破坏'即均表现为斜压型剪切失效) 这表明这种配筋方案已完全消除了在普通配筋连梁中无法最充分发挥构件抗剪能力的沿梁端贯通垂直裂缝的滑动剪切失效或沿靠近梁端某根较陡的斜裂缝的滑移型剪切失效'而使构件抗剪能力将得到较充分发挥' 从而提高了构件由剪切破坏控制的最终达到的位移延性) 图 *! 不同跨高比洞口连梁 #)' BD' BA%试验结果破坏后外观及 B-- 曲线% #%试验结果表明'对角斜筋配置数量相对较多时' 构件屈服后刚度和耗能能力会相对稍有改善'但延性!!!%实测结果表明'对角拉(压斜筋原则上沿全长均相对略弱&而" L#形筋配置数量相对较多时'构件延性匀受拉及受压&" L#形筋因其两肢段分别处在主拉(压进一步改善'但屈服后刚度及耗能性略有减弱) 应力方向'但又要与次斜压杆形成局部机构'故最终两肢段均受拉'但一个肢段沿主拉应力方向%受拉充分' #! 新型配筋小跨高比连梁设计方法可达屈服&另一肢段拉应力偏小)连梁上(下的一般纵 B! 建立连梁设计方法的总体思路筋应变由在梁的一端充分受拉变到另一端较充分受为了协调洞口连梁抗剪强度及抗弯强度设计方压)在构件增大非弹性变形过程中'纵筋中的受拉范法'本文一律以试验所得的各构件屈服后最大承载能围逐步扩大'受压范围逐步缩小) 力下的弯距及剪力作为建立抗剪能力设计公式和抗弯 *%为了保持对整个连梁范围内混凝土的约束'仍能力设计公式的基本依据)这样做一方面可以和其它有必要配置最低数量的箍筋和构造纵筋)" L#形筋也各类构件建立这类设计方法时的基本思路相呼应'同

4 重庆建筑大学学报!!!!!!!!!!!!!!! 第!" 卷 *" 时也可以适应新配筋方案小跨高比连梁极限承载能力力沿竖向的分量&!%考虑到位于梁端截面高度中点附与纵向钢筋或对角斜筋首次屈服时的承载能力相比明近的" L#形筋中'一个方向的钢筋受拉较为充分'而另显偏高的受力特点) 一个方向的钢筋可能受拉但拉力颇小'因此在抗剪公为了与建立其它构件传统设计方法时抗弯强度通式中建议只考虑一个方向的钢筋充分受拉'并以其竖常以试验结果的回归水准为依据'而抗剪强度则与试向分量参与抗剪& *%由于对角方向的混凝土受压所形验结果的"偏下限水准#为依据的特点相呼应'在建立成的斜压杆也将以其压力的竖向分力参与抗剪'而且' 这类构件的抗剪计算公式时'考虑到试验数据的数量在抗剪能力中还可能包括占比重不大的骨料咬合效应仍不足以确定有效的 "偏下限水准因此以与试验结和纵筋的暗销作用'因此'抗剪公式中还应考虑混凝土果相比取值偏低的思路来确定建议的抗剪公式) 项)除此之外'数量不多的箍筋和纵向构造钢筋也都 #! 关于新配筋方案洞口连梁的剪压比上限取值可能以不同形式对抗剪作出贡献'但从偏安全的角度考虑'这些贡献不计入抗剪公式) 考虑小跨高比连梁的受力特点'于是连梁的抗剪!! 由于普通配筋连梁的偏不利性能'目前中国 *高承载力 CK:建议由混凝土(菱形筋以及对角斜筋的抗剪规+ #""#%对小跨高洞口连梁的做法是取用减小了的能力四部分组成'即! 剪压比上限和比普通梁偏高的配箍)由于联肢墙随洞 CK: ) CK *C:L *C:] 口连梁跨高比的减小'剪力逐步增大'剪压比也可能相!! 式中除对角斜筋拉和压%(菱形筋之外的抗剪因应较高'目前*高规+的做法将给设计带来困难) 素均笼统反映在混凝土项中)式中由混凝土承担的剪 #% 在已经完成的试验中'新配筋方案连梁在整个小力取为! CKa>K&KEF" &由图 C 可以看出'对角斜筋承担跨高比范围内剪压比至少已经高达 "' #)"'!B'而此的剪力考虑连梁中全部对角斜筋的抗剪作用 %应取时连梁依然能够表现出不低于 *' C 的位移延性'这充为! C:Ra>:#&<RG:R: 5.! &另外'如前文所述'相交在梁分说明新配筋方案使这类小跨高比连梁甚至具有比一端截面高度中部的两个方向的菱形筋中只考虑一个方般受弯构件更高的抗剪能力上限)本文建议在留有一向的钢筋充分受力并参与抗剪'因此'从图 C 可以看出' 定裕量的前提下'将这类连梁的剪压比上限定为"' #C' 由菱形筋承担的剪力应取! C:L a>:&<lg:l: 5. >K' "&其中' 即取抗剪能力上限为! >: 分别为混凝土项与钢筋项参与抗剪的影响系数'!和 B% CS ( "4 F" #C&KE " 分别为对角斜筋(菱形筋与连梁轴线之间夹角)!! 这表明'采用这一新配筋方案后'在一(二级抗震等级的联肢墙中'就已经极有可能不再需要对连梁刚度进行折减'或对连梁作用剪力进行重新分配) 这自然也是这类新配筋方案连梁与目前*高规+ #""#%所采用的剪压比上限控制很低的普通配筋连梁相比所具有的另一项明显优势)!! 新型配筋小跨高比连梁的承载力计算在连梁的抗弯公式中建议近似取受压区钢筋及混凝土压力的合力点位于连梁受压钢筋的形心高度'因此参加抗弯的包括纵向钢筋的拉力(对角受拉斜筋的图 C! 连梁受力状态简图拉力在水平方向的分力以及单侧菱形筋的拉力在水平另外'取连梁中单侧菱形筋与单向对角斜筋的拉方向的分力)以上三部分钢筋均按达到屈服取其抗拉强度'且都对受压钢筋形心确定其内力臂) 力比为..aG:L 1&<L,G:] 1&<] %'而菱形筋两肢采用与对角斜筋平行的放置方式'故菱形筋和对角斜筋与!' B! 新型配筋小跨高比连梁的抗剪能力计算公式连梁中轴线的夹角取为相等'即!a"'并取 &< a&<n a 试验实测结果表明新配筋方案连梁抗剪承载能力可以由下列分量组成! B%受拉对角斜筋达到屈服时的 #%式并整理得! &<] a&<l )将各项带入 #*.%1: CK: ) >K1&K1E1F" *>:1&<1G:] 1 5.! 拉力沿竖向的分量& #%受压对角斜筋达到屈服时的压!%

5 第期傅剑平等新型配筋小跨高比洞口连梁的性能及设计方法 * 按已有的有效试验数据的偏下限对此公式进行拟合见图, 图中 + 为对角斜筋及菱形筋总的抗剪分量得 ="* =") 即 + ="* -. ") / # 以上各式中为受拉纵筋的屈服强度为受拉对角斜筋的屈服强度为菱形斜筋的屈服强度 / 为受拉纵筋面积单侧纵筋面积 / 为受拉对角斜筋的面积单侧对角斜筋面积 / 为菱形斜筋的面积单边菱形筋面积. 为连梁截面的有效高度. 为菱形斜筋的抗弯力臂 # 为钢筋的保护层厚度为对角斜筋的倾角为菱形斜筋的倾角其中 =/ / 从图, 可以看出本文建议的连梁抗剪能力计算公式与试验结果的关系与到目前为止我国一般钢筋混凝土梁的抗剪公式取为偏下限的思路是一致的受力状态如图 + 所示由于纵向构造筋进入屈服很晚且对连梁的抗弯贡献较小为简化计算拟在抗弯能力计算公式中忽略其影响此外建议以受压钢筋形心作为近似的截面受压区压力合力的作用点于是在继续只考虑单向菱形筋参与受弯的前提下可将抗弯能力计算公式表示如下 /. #1 /. #1 /. + 由于连梁中菱形筋与对角斜筋拉力的比例为并取 = 另外因菱形筋交点位于在左右梁端截面高度中点故. =. ># 其中 #1 为受压钢筋形心到受压边缘的距离并取 = = = 即可将式 + 整理如下. #1 / / *, 在表 * 中给出了各试件由式, 用实际配筋量及材料强度算得的, 与其试验实测抗弯能力的比较从中可以看出式, 大致体现了实测峰值抗弯能力的回归水准表 * 试件的极限承载能力试件编号 1 >* 1 >* />+ *+* * **,+) *** />,, *+ *+) +)+ *, /> *, *, ** *, 图,+ -.0 与 * # -. 关系图在表 * 中给出了各试件按式由实际配筋量及材料强度计算出的 + 与实测峰值抗剪能力的比较还需要说明的是在试验中的范围是 " ") 如前文所述对角斜筋对提高连梁抗剪刚度有较明显作用而菱形筋则有利于进一步提高构件延性在设计中如将这两部分钢筋的数量比例控制在一个合理的范围内则所设计出的连梁既具有较好的屈服后抗变形能力又具有抗震所需的延性能力根据对试验结果的分析本文建议在这类连梁的设计中可取 =" " 其中当对连梁的屈服抗变形能力有较高要求时可取建议的下限值若希望连梁的延性更好但对其屈服后抗变形能力要求不很严格时则可取建议的上限值 "" 新型配筋小跨高比连梁的抗弯能力计算公式新型配筋连梁采用对称配筋方式其梁端截面的 /> ) + * * *,+ * ) />) * *) +) *) * />* *+ *) * +++, ** />** ** *+ *) * ** />* *+ ** * +*), ** />* ** * **,,, ** />* *,+ *,, * + * ) />*+ ** * *,+ ** />*, *), ) *, )) ** />*) * *) ** +++ ** />*, )+ *+ *++,* ** /> * * * +), + *+ /> * ) + ** />, ** *, **,, ** /> ** ) *+ ) + * 注表中为极限弯矩与极限剪力的计算值为实测的峰值弯矩与峰值抗剪能力

6 重庆建筑大学学报第卷 " 新型配筋方案小跨高比连梁的其它构造措施新型配筋小跨高比连梁的设计除应满足上述剪压比上限以及抗剪能力和抗弯能力要求并选择适当的菱形筋与对角斜筋的用量比之外根据试验结果还建议了以下需要满足的构造措施 * 对角斜筋分别在两个方向上穿过洞口连梁的两个对角每个方向均按单排并对称布置钢筋直径应偏大取用但每个方向以配置两根或两根以上为宜同时应对每排对角斜筋设置间距不小于连梁宽度的单肢拉筋以约束对角斜筋并防止其过早压屈但对于实际工程中可能出现的梁宽较大的洞口连梁建议拉筋间距不大于 11 另外建议对角斜筋的最小配筋量不小于 * 且单侧对角斜筋按连梁截面计算出的配筋率不小于 "A 对角斜筋从梁端伸入剪力墙肢后应按抗震受拉锚固当工程中因分层浇注混凝土而需将伸入墙肢的对角斜筋向水平方向弯折时可允许其向水平方向弯折但锚固长度不变每个方向菱形筋宜平行对角斜筋布置且可为单根但直径不宜小于 *11 由于箍筋在限制构件裂缝宽度及对混凝土提供约束方面仍起到了一定作用故建议箍筋的配置应满足混凝土结构设计规范 8/+*> 中一般钢筋混凝土梁的最小配箍率要求由于纵向构造筋进入屈服较晚且对连梁的抗弯贡献较小故建议纵向构造钢筋满足混凝土结构设计规范 8/+*> 中一般梁纵向构造钢筋的构造要求结语 * 针对目前钢筋混凝土高层建筑结构抗震设计中需要解决联肢剪力墙小跨高比洞口连梁应具有足够延性能力经分析初步认为其位移延性应不低于例如 " 且应避免交叉暗柱配筋方案要求过大连梁宽度和钢筋施工过于困难的问题本文作者所在研究组提出了一种配置附加对角斜筋和菱形筋的小跨高比洞口类配筋方案的小跨高比洞口连梁在跨高比为 " "+ 的范围内直到剪压比为 " 时仍具有普遍不低于 +" 的位移延性能力且施工无特殊困难对连梁宽度也无过高要求在对连梁受力机理进行分析归纳和对试验结果进行分析整理的基础上本文提出了这类连梁的剪压比上限控制条件以及抗剪能力和抗弯能力的计算公式并给出了有关构造要求的初步建议供工程应用及有关设计规范或规程的修订参考使用这种配筋方案预计已经不再需要对连梁刚度进行折减或对连梁作用剪力进行调整目前我国高层建筑混凝土结构技术规程 8 ( 规定的一般洞口连梁和需要用专门规定设计的小跨高比洞口连梁的分界线为跨高比等于 "+ 但本文完成的试验结果表明当洞口连梁的跨高比略大于 "+ 后若立即改用抗震普通框架梁的截面设计方法和构造措施将仍可能不满足相应抗震等级对连梁的延性要求因此本文提请有关国家设计规范和规程关注 "+ 的跨高比界限是否可能过松参考文献 *.6 4 7/# ' #! 7'# '4 #! 5' 1 ' ' # 6 5# # ' # *) + )(+) '# 1# ' # ' 1 4 #! 5' 1 '# '4 9# # # '45 - *)+* ( 龚炳年方鄂华反复荷载下连肢剪力墙结构连梁的性能建筑结构学报 *)* ( 828 /#!( # < 8 0( /' &# #! 5' 1 15# #! 9 '4 9 4' # 4#! / #4#!- ' *)* ( 陈小英基于非线性动力分析的框剪结构抗震规定的验证重庆重庆大学土木工程学院 + + 徐瑞昌小跨高比洞口连梁有效配筋方式的试验研究重庆重庆大学土木工程学院编辑王秀玲连梁新型配筋方案经个足尺试件的试验证实这

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