覃 卯，罗 迅，田丰华

(重庆大学 土木工程学院，重庆 400044)

0 前 言

目前剪力墙结构和框架剪力墙结构在设计中存在以下问题：在地震作用下，连接两片墙肢的连梁内部往往内力很大，依据常规配筋方式经常出现超筋现象，这一问题在小跨高比连梁中尤为突出。

关于如何解决这一问题，文献[1]中给出了两种方案：一是对连梁刚度予以折减；二是采取交叉斜筋等复合配筋方式。第一种方案可能导致连梁刚度过低;而第二种方式连梁形成塑性铰时间相对较晚，塑性耗能能力相对较小，大震作用下可能起不到保护墙肢的作用。关于采用哪种方案对高层剪力墙结构抵抗地震作用能力较好，工程界缺乏统一结论。

部分国内外研究者[2-3]通过改变连梁刚度折减系数，考察了其对剪力墙结构的整体性能和构件内力的影响，并在此基础上得出连梁刚度折减系数对剪力墙结构抗震性能影响程度方面的结论。部分研究者[4]基于典型框支剪力墙结构算例，通过两种不同分析程序的对比分析，研究了结构中不同连梁刚度对结构地震响应的影响。

但影响连梁抗震性能的因素较多，除与剪力墙之间相互作用对结构的影响外，连梁本身在弯矩、轴力以及墙肢转动作用下的延性性能实际上也和理想的实验条件差别很大，目前研究者对连梁在复杂受力下的延性性能的阐述是不完善的，为正确认识连梁性能对结构整体抗震性能的影响，本文展开了此项研究。

1 结构算例设计和有限元模型建立

1.1 结构算例设计

本文利用PKPM进行结构设计，以连梁刚度与剪力墙墙肢长度为变量，建立5个18层的框架剪力墙结构算例。各算例基本信息见表1。其中，算例1、2、3只改变连梁刚度折减系数；算例4、5在算例1的基础上同时改变连梁刚度折减系数和横向剪力墙墙肢长度，以保持基本周期不变。

表1 各算例基本信息表

算例1中1～5层连梁剪压比超过0.2，采用交叉斜筋；其他连梁均采用普通配筋。规范[1]规定，跨高比超过5的连梁按框架梁设计。

1.2 有限元模型

利用ABAQUS对各算例进行建模，用选波程序选取3条地震波(El-centro、Taft、Hachinohe),对各模型进行地震作用时程分析，考察罕遇地震作用下各模型的破坏形态、塑性铰分布、耗能能力、极限承载力等变化趋势，梳理不同参数影响下的框架剪力墙结构综合抗震性能规律。为简化计算过程，本文将空间模型简化为单榀结构进行计算，如图1所示，考虑结构其他部分对其约束作用，对应建立Y向抗侧移约束。

图1 框架剪力墙模型图

2 框架梁与连梁的损伤规律

2.1 框架梁和连梁的屈服顺序

各算例在地震波下框架梁、连梁的屈服顺序为：算例1、2、4、5均是框架梁先屈服，连梁后屈服；但算例3反之。

2.2 结构刚度退化曲线

以连梁和框架梁的屈服时刻及连梁最大钢筋应变时刻为关键点，选出其所在的顶点位移时程曲线所在的位移上升段，并插入若干时刻点，再从底部剪力时程曲线中找出对应时刻点的底部剪力，用底部剪力除以顶点位移得出相应的结构割线刚度，最后绘制割线刚度随顶点位移的刚度退化曲线。

图2 El-Centro波下各算例的刚度退化曲线

对比算例1、2、3可发现，刚度早期退化时，算例3最快，算例1最慢，在受力后期刚度缓慢下降，最后基本趋于稳定。在持时全过程，算例1的刚度最大，算例3的刚度最小。主要原因是算例2、3的连梁刚度进行了折减，引起连梁屈服时刻大幅提前，框架梁的屈服时刻略有提前，故算例3比算例2、算例2比算例1先行进入弹塑性受力状态，在基本相同剪力作用下，结构的顶点位移更大。

3 剪力墙、连梁剪力分布规律

提取El-centro波作用下各算例第3层连梁剪力时程曲线，发现水平地震作用下连梁剪力时程曲线形状与趋势和所输入地震波形相近，但在各算例中略有差异，采用复合配筋且未进行刚度折减的算例1连梁剪力较其他算例更大，而刚度折减系数为0.6的算例2、4中连梁剪力又分别大于刚度折减系数为0.3的算例3、5。其余两条地震波作用下连梁的剪力反应规律基本相同。

算例1结构的整体反应如顶点位移等较其他算例更小，其第3、5层连梁剪力更大，这是由于连梁刚度对于结构中剪力在楼层间的分配起着一定作用。算例1中第3、5层连梁采用了复合配筋，对混凝土约束更强，对墙肢约束也更强，故结构整体反应小，同时采用了复合配筋的连梁刚度大，使得所在楼层整体刚度更大，剪力分配更大，而未配置的则相对较小。

4 连梁内部轴力分布规律及其延性分析

4.1 连梁轴力在不同算例中的分布规律

轴力对连梁抗震性能有着较大影响，可能导致连梁延性不足，而在设计中常常被忽视，故本文提取各算例第3、5层的连梁轴力进行分析。

在水平地震作用下连梁截面轴力算例5最大，算例4其次，算例1、2、3相对较小，这是由于算例4、5剪力墙墙肢长度更大，对连梁变形约束作用更强，因而在连梁中产生的轴力更大。可见，在水平地震作用下，框剪结构连梁截面内力中，轴力占比很大，对连梁的工作状态影响很大，可能导致连梁混凝土发生斜压破坏，而在规范关于连梁条例制定的实验中，并未考虑连梁中轴力的影响，依此条例设计的连梁可能存在实际工作状态中轴力较大而延性不足的缺陷，从而发生预期之外的破坏形式，故应在设计中适当考虑。

4.2 水平地震作用下连梁延性分析

通过连梁钢筋屈服时刻表、连梁混凝土最大主压应变时程曲线及连梁总反应时程曲线，得到连梁钢筋屈服时刻与混凝土压碎时刻的连梁反应及最大连梁反应，相除得连梁的延性系数与延性需求，计算所得算例2、3总体上连梁延性系数与延性需求相近，满足结构延性设计要求。

而对于采用了复合配筋的算例1连梁，第3层钢筋未屈服，第5层连梁仅斜筋屈服且延性系数为1.056小于延性需求1.196，跨中区域混凝土均发生斜压破坏，主要原因在于连梁受到两侧剪力墙转动变形和轴向变形的影响，算例1中其他层连梁刚度小，轴力较小，而第3、5层连梁采用复合配筋，刚度较强，剪力墙与连梁的相互作用增强，轴力增大，导致过早的剪压破坏。可见采用了复合配筋的连梁，增强了剪力墙与连梁间的相关关系，导致剪力墙施加于连梁上除水平力外的其他力如轴力更大，引起连梁混凝土应变更大，未按预期方式展现延性。

5 不同连梁刚度折减系数结构对比

对比算例1、2、3可以发现，算例1的应变值最小，算例3的应变值最大，且算例1与算例2的峰值差距大于算例2与算例3的峰值差距。这是因为算例1到算例2除了进行连梁刚度折减以外，算例1还采用了复合配筋。

对比算例4、5可以发现，算例4比算例5有更大的纵筋应变，这是因为算例4与算例5进行了剪力墙墙肢的加长，且算例5的剪力墙墙肢加长更多，所以连梁受到的反应更小，连梁纵筋应变更小。

同样参考其他层的纵筋应变值对比，可以得到以下结论。

1)结构连梁折减越大，连梁纵筋应变越大。

2)连梁在配置菱形筋和交叉斜筋后，对于连梁纵筋的受力有帮助作用，纵筋的应变更小。

3)剪力墙墙肢加强，连梁纵筋应变更小。

6 结 论

通过ABAQUS对带不同刚度连梁的5组高层框架剪力墙结构算例进行罕遇地震下综合地震反应分析，可以得出以下结论。

1)连梁对结构整体刚度的贡献大于框架梁，故在进行框架剪力墙结构设计时，可以考虑使框架梁作为结构抗震第一道防线，连梁作为第二道防线，从而保证结构在具有较高刚度的同时，也具有较大的耗能能力。

2)连梁在框架剪力墙结构中，还受两侧剪力墙墙肢转动变形与轴向变形的影响，在连梁中建立很大的轴力，采用复合配筋的连梁，刚度更大，连梁与剪力墙的相互作用更强，更易引起混凝土的斜压破坏，结构延性难于充分发挥，在结构设计时，应充分考虑轴力对连梁的影响，宜进一步降低剪压比等参数的限值。

因此，在进行刚度折减后的框架-剪力墙结构设计时，连梁采用复合配筋方式可以使结构具有合理的出铰机制，但同时要注意对连梁减压比进行更严格的限制。

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