新型组合连梁控制结构体系

郭秀芝

摘要：分析了连梁在水平力作用下的破坏机制，介绍了一种新型组合连梁控制结构体系，提出了有待研究的若干问题。另外还讨论了钢连梁的必须埋入深度，希望能对这种新型节点的设计和进一步研究提供参考价值。

关键词：组合连梁；抗震性能；基本动力特性；钢连梁；埋入深度

中图分类号：TU352文献标识码： A

一连梁在水平力作用下的破坏机制

众所周知，钢筋混凝土在水平力作用下的破坏可分为脆性破坏和延性破坏两种，高层建筑联肢墙的破坏同样又可以分为脆性破坏(即剪切破坏)和延性破坏(即弯曲破坏)两种。

联肢墙的脆性破坏又可以分为两种。一种是墙肢发生脆性破坏，墙肢应抗剪能力不够而产生剪切破坏，很快使剪力墙丧失了承载能力，严重时会造成建筑的突然倒塌。脆性破坏的第二种情况是连梁发生脆性破坏。连梁发生脆性破坏会使结构中各墙肢对连梁丧失约束作用，这会引起结构的侧向刚度降低，变形以及墙肢弯矩的加大。但是和第一种情况相比，结构尚未因此丧失承载能力，不会造成建筑的倒塌。

同样联肢墙的延性破坏也可分为两种情况。一种是连梁不屈服时墙肢发生延性破坏，它虽然也是延性破坏，但是吸收地震力是相对较低的。第二种情况是连梁屈服后墙肢再屈服。当连梁拥有足够的延性时，通过塑性铰变形来吸收大量的地震力。此时仍能继续传递剪力和弯矩，并约束墙肢,这对于减少墙肢力、延缓墙肢屈服有着重要作用，从而使联肢墙保持足够的刚度和强度。因此，在高层建筑剪力墙设计时，需要满足连梁的延性要求。

二新型组合连梁控制结构体系概念分析

钢结构因为具有高强度、高可靠性的特点，所以高层建筑结构中钢结构更加能够发挥优势并在防止地震灾害方面有着其它材料无法超越的地位。在高层剪力墙中，根据结构的自身需求部分或者全部采用钢结构连梁形成组合连梁的结构体系。

图1 组合连梁控制结构体系示意图

新型组合连梁典型的控制结构体系如图1。由角钢空间桁架组成的连梁，和普通连梁相比自重轻，延性好，受力简单明了，更便于设计成为延性破坏连梁；并能在中间支撑上设置摩擦耗能阻尼控制装置，进而提高整体抗震性能。其中钢结构连梁与钢筋混凝土剪力墙之间可以用焊缝连接，实现工厂和现场的同时施工，加快施工进度；并在大震情况时，梁端在产生塑性铰之后仍会正常使用，也能够方便地进行更换修护，这是钢筋混凝土连梁结构无法实现的。总之，组合连梁结构为结构设计提供了一条更好的选择。

三新型组合连梁控制结构体系的若干问题研究

学者以一框架—核心筒为研究对象，其楼层平面如图2，连梁示意如图3，结构共18层，1~5层层高3.9 m，6~18层层高3.3 m。柱截面600×600 mm，框架梁截面250×600mm，楼板厚140mm，筒体剪力墙厚250 mm，剪力墙开洞1.0X2.7 m。

图2 框架—核心筒体结构楼层平面

图3 连梁详图

3.1 新型组合钢连梁弹塑性状态下的抗震性能研究

文献4通过动力时程分析得知：对于含有联肢剪力墙单元的高层建筑结构在大震作用下，小跨高比连梁采用钢连梁方案结构的地震反应得到了控制，但能力依然有限；而在层间设置新型组合钢连梁控制结构后，基底剪力墙总剪力时程响应减弱明显，使结构体系趋于理想的耗能模式。

3.2 新型组合连梁的基本动力特性研究

文献5通过ANSYS软件分析得出以下结论：结构的自振特性和结构体系的质量、刚度分布密切相关。当连梁在楼层中所占的比例相对较大时，它对于整个结构体系的质量和刚度分布影响较大，连梁结构形式的改变对结构的自振特性影响较大。采用型钢连梁核心筒体的刚度被削弱；如在建筑物的中部设置带摩擦节点的交叉支撑，形成新型组合连梁控制结构，有效缓解了剪力墙刚度削弱，提高了连肢剪力墙共同工作的性能。

四新型组合连梁与剪力墙节点研究

在钢梁与混凝土剪力墙的节点中，钢梁埋入墙中的长度对节点的力学性能和破坏形式起决定作用。因此研究钢连梁必需埋入长度的确定，是非常有必要的。

在开洞剪力墙中，当连梁端部钢筋屈服，具有较好变形能力和耗能能力，这是最理想的情况。为了防止节点先破坏，导致剪力墙整体性能的降低。对于钢连梁与剪力墙节点，钢连梁的埋入长度是影响节点的性能的重要因素。

图4 实际应力图 图5 假定应力和应变图

早期钢梁与墙节点模型，主要是从预应力混凝土协会规定支架钢梁埋入模型中演变过来，并对其进行研究。20世纪80年代初期，Marcakis等分别对钢梁与混凝土节点提出4个模型。

图4给出了钢梁与混凝土节点的实际应力图。这4个模型都假定混凝土应变是线性变化，而且墙面混凝土最大应变取0.003(图5)。

这些模型的研究中，必需埋入长度没有考虑钢连梁与剪力墙节点的局部构造影响(比如:箍筋、栓钉等)。

4.2考虑栓钉和水平钢筋影响的节点及埋入长度

韩国的Wan-Shin Park,等在以前的研究基础上，在埋入钢连梁的上下翼缘设置了栓钉和水平钢筋进行加强。试验测试了3个试件，研究了这种模型的滞后响应、强度、刚度、有效埋入长度、耗能特征和阻尼系数。

建议的模型(如图6)，下翼缘受压区应力分布简化为矩形分布，增加了栓钉和水平钢筋的受力。根据理论和经验，必需埋入长度由式(4)确定：

（4）式(4)的关系式后部分正是考虑了栓钉产生的附加强度影响。

图6 建议的模型

4.3总结

(1)钢连梁的埋入长度决定了钢连梁的破坏形式，剪切屈服破坏对剪力墙的抗震更有利，保持了墙的完整性。

(2)钢连梁必需埋入长度部分，通过不同的措施加强(栓钉、水平钢筋、箍筋等)可以提高连梁的刚度，节点的强度，更有利于抗震。

(3)钢连梁局部加强增加了附加刚度，影响到整个结构的特性，所以，应该考虑这部分增加的刚度作为在设计模型中变量之一。

五新型组合连梁控制结构体系有待研究的若干关键问题

组合连梁控制结构体系是一种相对较新的结构体系，任何一个新型结构体系都要经过一个不断完善和不断创新的过程，而且组合连梁控制结构体系属于较复杂结构，因此，有许多问题值得进一步研究，需要探讨组合连梁在地震作用下的耗能机制、破坏模式、恢复力特性，进一步提出抗震设计控制指标和相应的抗震构造措施等等。

参考文献：

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