CN109840384B - 一种兼具承重与耗能双重功能的分段式钢筋混凝土连梁的设计方法 - Google Patents

一种兼具承重与耗能双重功能的分段式钢筋混凝土连梁的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种兼具承重与耗能双重功能的分段式钢筋混凝土连梁的设计方法。所述的分段式连梁由耗能段和承重段两部分组成，承重段比耗能段高，高度差为250mm～400mm。所述的承重段可用于按悬臂梁状态独自承担楼面梁荷载，在设防地震作用下不屈服，在罕遇地震作用下承载力不明显降低，实现连梁在大震作用下的承重功能。所述耗能段允许在罕遇地震下发生屈服，甚至发生严重破坏，从而实现连梁在罕遇地震作用下的耗能功能。这种分段式连梁不仅可以解决实际工程中楼盖主梁不宜搁置在核心筒或内筒的连梁上这一问题，还兼具承重与耗能双重作用，且施工方便，节约材料用量，设备安装方便，具有良好的经济性。

Description

一种兼具承重与耗能双重功能的分段式钢筋混凝土连梁的设 计方法
技术领域
本发明专利涉及土木工程中结构设计领域，具体为兼具承重与耗能双重功能的分段式钢筋混凝土连梁的设计方法。
背景技术
连梁是高层建筑结构中剪力墙之间的重要连接构件，作为主要耗能构件，在多遇地震、罕遇地震作用下率先进入屈服耗能，它可以很大程度的减少地震所造成的损失。《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)6.7.3条规定：楼面梁不宜支承在内筒连梁上。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2010)7.1.5条规定：楼面梁不宜支承在剪力墙或核心筒的连梁上；9.1.10条规定：楼盖主梁不宜搁置在核心筒或内筒的连梁上。为满足相关规范要求避开连梁，通常需要将楼盖梁布置成斜梁。然而楼盖梁布置成斜梁材料损耗大，施工不便，不利于房间分割和设备布置，因此实际工程中往往存在连梁支承楼面梁的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种兼具承重与耗能双重功能的分段式钢筋混凝土连梁的设计方法，通过该设计方法允许出现楼面梁支承在核心筒或内筒的连梁上的情况，避免结构出现斜梁，造成建筑房间分割麻烦、设备布置困难、施工不便、材料损耗增大等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种兼具承重与耗能双重功能的分段式钢筋混凝土连梁的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：建立整体结构模型，对所述结构模型中的支承楼面梁的连梁设置为分段式钢筋混凝土连梁，所述分段式钢筋混凝土连梁的耗能段与承重段分开建模，承重段比耗能段高250mm～400mm；
步骤2：根据设防地震烈度，对所述结构模型进行多遇地震下弹性分析的步骤，得到分段式连梁的截面高度、以及承重段和耗能段的配筋；
步骤3：删除耗能段，将承重段设为悬臂梁，计算得到在竖向荷载作用下承重段的配筋；
步骤4：对所述结构模型进行设防地震作用下等效弹性分析步骤，它包括：
根据设防地震作用下弹性对承重段抗剪承载力进行验算，判断承重段抗剪承载力是否满足要求；
根据设防地震作用下不屈服对承重段的正截面抗弯承载力进行验算，判断承重段正截面抗弯承载力是否满足要求；
判断耗能段的剪压比是否满足要求；
以上判断全部满足要求，进行步骤5；
以上判断中的任意一项不满足要求，返回步骤2，调整分段式连梁的截面高度、以及承重段和耗能段的配筋；
步骤5：根据设防地震烈度，对所述结构模型进行罕遇地震下弹塑性时程分析的步骤，判断连梁承重段是否处于未损坏或轻微损坏状态；
判断为是，结束；
判断为否，返回步骤2，调整分段式连梁的截面高度、以及承重段和耗能段的配筋。
上述方案的步骤2中，耗能段折减系数为0.6-0.7，承重段的刚度放大系数为1.5～2.0。
上述方案中，步骤3具体为：
承重段所承受的弯矩为M，剪力为V，按悬臂梁计算上部纵向钢筋和箍筋的面积，公式计算即：
Figure GDA0003632404640000021
α1fcbx＝fyAs-fy'As'；
Figure GDA0003632404640000022
b-----------------截面宽度；
h0---------------截面有效高度；
a's----------------受拉钢筋合力点到混凝土边缘的距离；
fc----------------混凝土抗压强度设计值；
ft----------------混凝土抗拉强度设计值；
As---------------上部纵向钢筋面积
As'--------------下部纵向钢筋面积
Asv-------------箍筋截面面积
s---------------箍筋间距
fyv-------------箍筋抗拉强度设计值
上式确定承重段按悬臂梁计算时纵向钢筋面积As，与多遇地震作用下弹性分析所得到的配筋取包络值，按悬臂梁算出的纵向钢筋As在承重段端部弯折，弯折长度不小于15d，其中d为纵筋直径。
上述方案的步骤4中，
根据设防地震作用下弹性对承重段抗剪承载力符合下式：
γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk≤R/γRE；
根据设防地震下不屈服对承重段的正截面抗弯承载力符合下式：
SGE+SEhk+0.4*SEvk≤Rk；
SGE+0.4*SEhk+SEvk≤Rk；
γRE------------承载力抗震调整系数；
γG、γEh、γEv-------------重力荷载、水平地震荷载和竖向地震荷载分项系数；
R--------------构件承载力设计值；
Rk-------------截面承载力标准值；
承重段正截面不屈服不考虑承载力抗震调整系数，材料采用标准值，M计算时不考虑荷载分项系数；
Figure GDA0003632404640000031
承重段抗剪弹性按下式计算，考虑承载力抗震调整系数和材料分项系数，剪力V计算考虑荷载分项系数。
跨高比不大于2.5时：
Figure GDA0003632404640000041
Figure GDA0003632404640000042
跨高比大于2.5时：
Figure GDA0003632404640000043
Figure GDA0003632404640000044
耗能段应满足剪压比要求。
跨高比不大于2.5时：
Figure GDA0003632404640000045
跨高比大于2.5时：
Figure GDA0003632404640000046
本发明方法设计的分段式钢筋混凝土连梁，经过缩尺试验与有限元分析验证，具有承重与耗能双重性能。依据有限元模拟结果与试验结果，提出分段式连梁的抗震设防性能目标。耗能段在设防地震、罕遇地震下率先屈服耗能，出现塑性铰，发挥连梁耗能构件的作用。承重段在设防地震作用下基本保持弹性，在罕遇地震下仅轻微损伤，起到支承楼面梁和承担竖向荷载的作用。
本发明方法设计的分段式钢筋混凝土连梁，具有以下有益效果：
本发明与传统的钢筋混凝土连梁相比，可以直接支承楼面梁，避免了将楼面梁布置成斜梁，施工方便，节约材料用量，设备安装方便，适应性强。本发明形式简单，能够做到快速简便的施工，与一般的普通钢筋混凝土连梁支模和浇筑方式一致，不会额外增加施工难度。
通过本发明设计方法允许出现楼面梁支承在核心筒或内筒的连梁上，避免结构出现斜梁，造成建筑房间分割麻烦、设备布置困难、施工不便、材料损耗增大等问题。
附图说明
图1是兼具承重与耗能双重功能的分段式钢筋混凝土连梁的结构示意图。
图2是图1的配筋详图。
图3是图2的附加钢筋示意图。
图4是本发明的结构设计流程图。
图5是采用本发明的联肢墙结构试验示意图。
图6为试验正立面裂缝分布和开裂顺序示意图。
图7为试验背立面裂缝分布和开裂顺序示意图。
图8为试验钢筋屈服顺序示意图。
图9为有限元模拟联肢墙试件损伤云图1。
图10为有限元模拟联肢墙试件损伤云图2。
图11为有限元模拟联肢墙试件损伤云图3。
图12为有限元模拟联肢墙试件损伤云图4。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。
本发明的结构形式如下：
如图1、图2所示，本发明方法可将传统的钢筋混凝土连梁改成可以支承楼面梁3的分段式钢筋混凝土连梁，其由耗能段1和承重段2两部分组成，承重段2按悬臂构件计算时可以独立承担楼面梁3的荷载。耗能段1在设防地震、罕遇地震作用下率先屈服耗能，形成塑性铰。承重段2在设防地震下基本保持弹性，在罕遇地震下仅轻微损伤。
分段式钢筋混凝土连梁具体构造如下：耗能段1与承重段2的通常高差250mm～400mm，连接段底部坡度为1:1，楼面梁3到承重段2边缘的距离不小于100mm。
如图3所示，分段式连梁的水平钢筋伸入到墙肢的长度应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2010)中条文7.2.27规定的>laE和>600mm要求。按悬臂梁构件计算得到的钢筋4应向下弯折，弯折长度不应小于15d，并应按照悬臂梁构造要求设置单面吊筋41，单面吊筋的设置满足《混凝土设计规范》(GB 50010-2010)条文9.2.7和9.2.11相关规定。
本发明的设计流程如图4所示，需要对结构进行多遇地震下弹性分析、按悬臂构件验算、设防地震作用下等效弹性验算、罕遇地震下弹塑性时程分析等。
步骤1：建立整体结构模型(如图5所示)，对所述结构模型中的支承楼面梁的连梁设置为分段式钢筋混凝土连梁，所述分段式钢筋混凝土连梁的耗能段与承重段分开建模，承重段比耗能段高250mm～400mm。
根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)确定工程抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组等相关参数；根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)确定结构各层的恒荷载、楼面活荷载和风荷载等相关参数。采用有限元软件建立整体建筑结构模型。
步骤2：根据设防地震烈度，对所述结构模型进行多遇地震下弹性分析的步骤，得到分段式连梁的截面高度、以及承重段和耗能段的配筋。
在多遇地震下弹性分析时，对连梁耗能段的刚度进行折减，折减系数不宜小于0.6。通常在设防烈度6、7度时折减系数建议取0.7，设防烈度为8、9度时，折减系数取0.6。同时对连梁承重段的刚度进行放大，放大系数取1.5～2.0。
步骤3：删除耗能段，将承重段设为悬臂梁，计算得到在竖向荷载作用下承重段的配筋。
为保证结构的安全性，分段式连梁承重段必须能够完全承受住楼面荷载。考虑到在地震作用下耗能段屈服耗能，不考虑耗能段对结构竖向荷载的作用，对承重段按悬臂梁进行验算。在有限元分析模型中，撤掉分段式连梁耗能段，承重段作为悬臂梁，计算在竖向荷载作用下连梁承重段的配筋。
承重段所承受的弯矩为M，剪力为V，按悬臂梁计算上部纵向钢筋和箍筋的面积。参考《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)6.2.10与6.3.4相关公式计算即：
Figure GDA0003632404640000071
α1fcbx＝fyAs-fy'As'；
Figure GDA0003632404640000072
b-----------------截面宽度；
h0---------------截面有效高度；
a's----------------受拉钢筋合力点到混凝土边缘的距离；
fc----------------混凝土抗压强度设计值；
ft----------------混凝土抗拉强度设计值；
As---------------上部纵向钢筋面积
As'--------------下部纵向钢筋面积
Asv-------------箍筋截面面积
s---------------箍筋间距
fyv-------------箍筋抗拉强度设计值
由上式确定承重段按悬臂梁计算时纵向钢筋面积As。与小震弹性分析所得到的配筋取包络值。按悬臂梁算出的纵向钢筋As在承重段端部弯折，弯折长度不小于15d，其中d为纵筋直径。
步骤4：对结构模型进行设防地震下等效弹性分析步骤，它包括：
根据设防地震作用下弹性对承重段抗剪承载力进行验算，判断承重段抗剪承载力是否满足要求；
根据设防地震作用下不屈服对承重段的正截面抗弯承载力进行验算，判断承重段正截面抗弯承载力是否满足要求；
判断耗能段的剪压比是否满足要求；
以上判断全部满足要求，进行步骤5；
以上判断中的任意一项不满足要求，返回步骤2，调整分段式连梁的截面高度、以及承重段和耗能段的配筋；
按设防地震作用下弹性计算时，考虑荷载分项系数、材料分项系数与承载力抗震调整系数，构件的抗震承载力应符合下式：
γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk≤R/γRE；
按设防地震作用下不屈服计算时，不考虑荷载分项系数、材料分项系数和承载力抗震调整系数，构件的抗震承载力应符合下式：
SGE+SEhk+0.4*SEvk≤Rk；
SGE+0.4*SEhk+SEvk≤Rk；
γRE------------承载力抗震调整系数
γG、γEh、γEv-------------重力荷载、水平地震荷载和竖向地震荷载分项系数
R--------------构件承载力设计值
Rk-------------截面承载力标准值
承重段正截面不屈服按《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)条文11.7.7计算，不考虑承载力抗震调整系数，材料采用标准值，M计算时不考虑荷载分项系数。
Figure GDA0003632404640000081
承重段抗剪弹性按下式计算，考虑承载力抗震调整系数和材料分项系数，剪力V计算考虑荷载分项系数。
跨高比不大于2.5时：
Figure GDA0003632404640000082
Figure GDA0003632404640000083
跨高比大于2.5时：
Figure GDA0003632404640000084
Figure GDA0003632404640000091
耗能段应满足剪压比要求。
跨高比不大于2.5时：
Figure GDA0003632404640000092
跨高比大于2.5时：
Figure GDA0003632404640000093
步骤5：根据设防地震烈度，对所述结构模型进行罕遇地震下弹塑性时程分析的步骤，判断连梁承重段是否处于未损坏或轻微损坏状态；
判断为是，结束；
判断为否，返回步骤2，调整分段式连梁的截面高度、以及承重段和耗能段的配筋。
按基于损伤的抗震性能评价方法判断连梁混凝土受压损坏程度，以混凝土的峰值压应变εcr来划分混凝土受压的损坏程度，如表1所示。按《建筑结构设计抗倒塌规范》(CECS392：2014)5.4.4条以总应变与屈服应变的比值为总应变比γ，塑性应变与屈服应变的比值为塑性应变比γp来判断连梁钢筋的损坏程度，如表2所示，取最不利结果作为连梁构件性能。
表1混凝土受压损坏程度评价标准
Figure GDA0003632404640000094
表2钢筋(钢材)性能评价标准
Figure GDA0003632404640000095
Figure GDA0003632404640000101
根据计算所得的相应配筋面积对分段式连梁的承重段与耗能段进行配筋。
为研究在大震作用下的分段式连梁的抗震性能，选取典型的联肢墙部位，开展了2个1/4缩尺的采用分段式连梁的3层钢筋混凝土联肢墙抗震性能试验，进行推覆试验及拟静力加载试验，试验模型示意图如图5所示。试验结果表明分段式连梁的破坏形式与预期目标相吻合，分段式连梁具有良好的变形能力。试验裂缝发展示意图与钢筋屈服示意图如图6、图7和图8所示。
利用非线性有限元软件ABAQUS建立有限元数值分析模型，对试验过程进行模拟。从图9、图10、图11和图12可以看出，分段式连梁是耗能段先屈服，然后是墙肢边缘屈服，最后承重段屈服。有限元模拟的混凝土破坏顺序和钢筋屈服顺序与试验结果一致，计算承载力及滞回曲线与试验结果较为吻合。
通过试验结果与有限元结果可以发现连梁耗能段首先屈服，然后墙肢边缘构件屈服，最后连梁承重段屈服，表明采用该新型连梁的联肢墙在地震作用下能形成有效的多道防线，且连梁承重段能有效可靠地传递楼面梁上的竖向荷载；试件的位移延性达到3左右，极限位移角远远大于规范的规定值，表明采用该新型连梁的联肢墙具有优良的变形能力。
为规避楼面梁放置在连梁之上而设置斜梁，会增大材料用量，也会增加施工难度，从而增加建造成本，而分段式连梁能够保证楼面梁安全有效支承在连梁之上，且不降低连梁的耗能能力，具有明显的优势。
上面结合附图对本发明的结构形式、设计方法进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权力要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种兼具承重与耗能双重功能的分段式钢筋混凝土连梁的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：建立整体结构模型，对所述结构模型中的支承楼面梁的连梁设置为分段式钢筋混凝土连梁，所述分段式钢筋混凝土连梁的耗能段与承重段分开建模，承重段比耗能段高250mm～400mm；
步骤2：根据设防地震烈度，对所述结构模型进行多遇地震下弹性分析的步骤，得到分段式连梁的截面高度、以及承重段和耗能段的配筋；
步骤3：删除耗能段，将承重段设为悬臂梁，计算得到在竖向荷载作用下承重段的配筋；
步骤4：对所述结构模型进行设防地震作用下等效弹性分析步骤，它包括：
根据设防地震作用下弹性对承重段抗剪承载力进行验算，判断承重段抗剪承载力是否满足要求；
根据设防地震作用下不屈服对承重段的正截面抗弯承载力进行验算，判断承重段正截面抗弯承载力是否满足要求；
判断耗能段的剪压比是否满足要求；
以上判断全部满足要求，进行步骤5；
以上判断中的任意一项不满足要求，返回步骤2，调整分段式连梁的截面高度、以及承重段和耗能段的配筋；
步骤5：根据设防地震烈度，对所述结构模型进行罕遇地震下弹塑性时程分析的步骤，判断连梁承重段是否处于未损坏或轻微损坏状态；
判断为是，结束；
判断为否，返回步骤2，调整分段式连梁的截面高度、以及承重段和耗能段的配筋。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤2中，耗能段折减系数为0.6-0.7，承重段的刚度放大系数为1.5～2.0。
3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤3具体为：
承重段所承受的弯矩为M，剪力为V，按悬臂梁计算上部纵向钢筋和箍筋的面积，公式计算即：
Figure FDA0003632404630000021
α1fcbx＝fyAs-f′yA′s；
Figure FDA0003632404630000022
b-----------------截面宽度；
h0---------------截面有效高度；
a′s----------------受拉钢筋合力点到混凝土边缘的距离；
fc----------------混凝土抗压强度设计值；
ft----------------混凝土抗拉强度设计值；
As---------------上部纵向钢筋面积
A′s--------------下部纵向钢筋面积
Asv-------------箍筋截面面积
s---------------箍筋间距
fyv-------------箍筋抗拉强度设计值
上式确定承重段按悬臂梁计算时纵向钢筋面积As，与多遇地震作用下弹性分析所得到的配筋取包络值，按悬臂梁算出的纵向钢筋As在承重段端部弯折，弯折长度不小于15d，其中d为纵筋直径。
4.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤4中，
根据设防地震作用下弹性对承重段抗剪承载力符合下式：
γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk≤R/γRE；
根据设防地震下不屈服对承重段的正截面抗弯承载力符合下式：
SGE+SEhk+0.4*SEvk≤Rk；
SGE+0.4*SEhk+SEvk≤Rk；
γRE------------承载力抗震调整系数；
γG、γEh、γEv-------------重力荷载、水平地震荷载和竖向地震荷载分项系数；
R--------------构件承载力设计值；
Rk-------------截面承载力标准值；
承重段正截面不屈服不考虑承载力抗震调整系数，材料采用标准值，M计算时不考虑荷载分项系数；
Figure FDA0003632404630000031
承重段抗剪弹性按下式计算，考虑承载力抗震调整系数和材料分项系数，剪力V计算考虑荷载分项系数；
跨高比不大于2.5时：
Figure FDA0003632404630000032
Figure FDA0003632404630000033
跨高比大于2.5时：
Figure FDA0003632404630000034
Figure FDA0003632404630000035
耗能段应满足剪压比要求；
跨高比不大于2.5时：
Figure FDA0003632404630000036
跨高比大于2.5时：
Figure FDA0003632404630000037
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