连梁抗剪配筋的讨论及优化 剪力墙是常用的结构体系之一,如:多高层住宅的全剪力墙或者框架-剪力墙,多高层公建如:商场、办公、酒店等的框架-剪力墙、框架-核心筒或者筒中筒(核心筒是由多片剪力墙组合而成的空间结构)。剪力墙设计中,最常见的也是最难处理的问题就是连梁抗剪的超筋超限,很多资料已经对此进行过分析并提出处理措施,本文就不再敷述了(若确有强烈需求的,后续再拟文将各种措施收集汇总后供大家参考吧)
连梁抗剪配筋的讨论及优化
剪力墙是常用的结构体系之一,如:多高层住宅的全剪力墙或者框架-剪力墙,多高层公建如:商场、办公、酒店等的框架-剪力墙、框架-核心筒或者筒中筒(核心筒是由多片剪力墙组合而成的空间结构)。剪力墙设计中,最常见的也是最难处理的问题就是连梁抗剪的超筋超限,很多资料已经对此进行过分析并提出处理措施,本文就不再敷述了(若确有强烈需求的,后续再拟文将各种措施收集汇总后供大家参考吧)。本次主要是针对连梁的抗剪钢筋配置进行对比分析研究。
规范对连梁的抗剪截面验算、抗剪承载力以及超限的建议措施等,都有明确要求。如,《高规》的“剪力墙结构设计”一章中,具体如下图所示:
抗剪截面验算
抗剪承载力验算
连梁超限处理建议
大部分情况下,抗剪钢筋的配置方式就是竖向箍筋。少数情况下也可见交叉斜筋、对角斜筋或对角暗撑等,特别是核心筒结构中跨高比较小的连梁。
在《钢筋混凝土梁集中力处附加钢筋的优化》一文中,已分析对比过抵抗竖向力时竖向箍筋与斜向吊筋的区别,结论是斜向吊筋的受力效率较低、构造用量较多、性价比较差等。初步类比可知,抵抗竖向剪力时,连梁斜向筋的受力效率、材料用量等也是不及箍筋的。
但是既然规范有相关内容、实际设计中也时有应用,说明斜向筋还是有其适用范围及某方面优势的,集中力附加横向钢筋的比选结果不能简单地全盘套用。以下就进行详细分析讨论。
连梁抗剪主要包括抗剪截面验算及抗剪承载力设计,砼是其中最主要的参数(跟梁集中力验算只跟钢筋有关的最大不同点)。
一、抗剪截面验算只跟砼相关,与钢筋无关。
抗剪截面验算结果主要取决于系数值。根据《砼规》可知,布置斜向筋与否,抗剪系数取值也不相同。
《砼规》配置斜向筋的抗剪截面验算公式
《砼规》配置箍筋的抗剪截面验算公式
对比两个公式可知,同为跨高比≤2.5(适用于一、二级抗震的,理论上也可推广应用至三、四级抗震及非抗震),布置斜向筋后,抗剪系数从0.15改为0.25、提高了66%,抗力提高后截面验算会更容易通过。
众所周知,抗剪截面超限是连梁设计中最常见的问题难题。抗剪截面条件虽然不是规范强条,但基于“强剪弱弯”的概念,设计人员和审图人员对此都是从严要求的,但实际设计中总会遇到部分连梁超限、且很难调整通过的情况。
比如:剪力500kN>截面抗剪值450kN,差值约10%,设计人员如果想着适当加大截面来补足,就会发现:将加大截面后的连梁输入模型重新计算复核时,差值不但没有弥补、反而是加大了,即超限情况更严重了。为什么会这样?其实简要分析一下就明白了:连梁的抗剪截面积=b*h0,加大高度后抗剪截面积是线性增长;而连梁受力分配跟其抗弯刚度相关、抗弯刚度又跟截面惯性矩bh3/12相关,是3次方增长;即抗力增长速度 <效应< pan> 增 长 速度, 所以 越是加 大 连梁高度越 容易 超限,此时 宜反向 做减法 、适当 降低梁高 。当然, 连梁高度也不可能无限取小, 以下 情况,如: 1 、 整体 抗侧刚度 需要。较强 的 连梁 可以将独立墙肢 连接 成联肢墙、小开口整体墙等共同受力,提高抗侧刚度。 2 、 承受 竖向荷载需要。 部分 连梁需要承受 相连 楼板 传来 的 较大 竖向荷载 , 对 承载力 能力有 一定 要求。 3、屈服 耗能需要。连梁是 设计期望 可首先进入屈服耗能的 构件 、 起到 保护竖向构件 的 作用,截面太小保护能力不足等 ; 都要求连梁具有一定的高度。 效应<>
设置斜向筋后,相同截面下的抗剪值提高了66%,这对解决抗剪超限的难题是很有帮助的、特别是连梁高度不宜取小的情况下;当抗力>>效应富余较多时,也可适当减小高度,此时抗力降低速度 <效应降低< pan> 速度 , 抗剪验算更容易解决了。 效应降低<>
二、抗剪承载力跟砼和钢筋都相关。
抗剪承载力包括砼、箍筋及斜向筋3部分的贡献,不同情况下各部分的系数取值也是有差异的。
《砼规》配置斜向筋的抗剪承载力验算公式
《砼规》配置箍筋的抗剪承载力验算公式
可见,加斜向筋后砼项系数从0.38变为将0.4提高约5%,箍筋项系数从0.9变为0.6降低约50%;钢筋的抗拉能力及贡献比例,远高于砼,上述系数调整后砼+箍筋的抗剪承载力是有所下降的,斜向筋的抗剪效率又是低于箍筋的;总体而言,设置斜向筋的综合抗剪效率也是有所下降的。
《砼规》中关于斜向筋的设置没有限定结构体系,《高规》中则限定为筒中筒结构中的外框筒及内筒连梁。实际项目中,公共建筑常会设置核心筒,筒内布置较多的设备房间,设备间门较窄较矮导致其上的连梁跨高比均较小,容易出现抗剪超限超筋问题,也较符合规范中设置斜向筋的适用条件;设计人员也经常把设置斜向筋作为一种加强措施,但对其受力效率、性价比等就没有定量的直观认识。下面就取一具体截面,通过自编Excel表可对不同配筋方式的抗剪截面、抗剪承载力及其材料用量进行定量的分析对比。
设:一级抗震的连梁截面400x1000,跨度1m,C50砼。剪力值1500kN。对比结果截图如下:
主要结论如下:
1、配置箍筋的抗剪截面限值为1574kN,配置斜向筋的抗剪截面限值为 2623kN,增幅约66%。反之,即配置斜向筋的截面尺寸可降至400x600仍可满足截面验算。
2、统一采用400x1000截面时,配置箍筋的用量约40kg,钢筋+砼费用约484元;配置交叉斜筋的钢筋用量约143~166kg,钢筋+砼费用约1097~1236元;配置对角斜筋(斜撑)的钢筋用量约152kg,钢筋+砼费用约1150元。箍筋的受力效率、成本等明显占优,施工也最简便。
3、配置斜向筋后减小截面至400x600时,配置交叉斜筋的钢筋用量约189kg,钢筋+砼费用约1280元;配置对角斜筋(斜撑)的钢筋用量约177kg,钢筋+砼费用约1206元。总体费用比不减小截面的多,主要是斜向筋倾角变平缓导致其抵抗竖向力的效率降低、用量增加。
4、统一采用400x1000截面,仅配置箍筋时,砼+箍筋外Φ12+内Φ10@100(4)的抗剪承载力1736kN;配置斜向筋时,相同配置的砼+箍筋的抗剪承载力仅1283kN。计算公式中各项系数取值的不同,影响了承载力计算结果。
5、采用400x1000截面、且配置斜向筋时,箍筋采用外Φ12+内Φ10@100(4)或者Φ10@100(2)的,交叉斜筋的计算面积及用量基本相同(第2小点的交叉斜筋方式的钢筋用量有个变化幅度,就是箍筋量的变化对比)。公式中的箍筋与斜向筋的配筋强度比???fsvAsvh0)/(sfydAsd)取值要求介于0.6~1.2,严重限制了箍筋的贡献。常规情况下,箍筋满足构造要求即可。
6、 交叉斜筋可与砼、箍筋共同承担剪力,对角斜筋(斜撑)需要单独承受全部剪力,但两者钢筋用量及费用差别不大。主要原因是交叉斜筋中方式中4组折线筋的构造相对复杂其用量较多,施工也较复杂。
7、对角斜撑需自设封闭小箍筋,但连梁箍筋间距可放大至@200mm,总钢筋用量较对角斜筋的略低。
8、对角斜筋和对角斜撑的计算公式相同,直观理解上存在疑问。梁端抗剪时,交叉斜向筋受力是一拉一压(与中心支撑类似),斜撑有内置箍筋围闭约束,可抗拉也可抗压;斜筋无横向约束、抗压稳定性差,可抗拉不适宜抗压。计算公式是否需要调整?供大家进一步思考讨论。
综合上述分析结果,对连梁抗剪配筋设计的优化建议如下:
1、通常情况下,优先采用箍筋。
2、抗剪截面超限时,可采用减小梁高、梁端点铰、按塑性铰折算有效截面、竖向分层连梁等常用措施;确实仍难以调整通过时,可设置斜向筋以提高截面抗剪能力。
3、计算软件的特殊构件定义里面,有“斜向筋”选项。可以根据初次计算结果,对部分超限连梁指定“斜向筋”后重新计算,可大幅减少抗剪超限现象。
4、设置斜向筋时,箍筋仅需满足最小直径及最大间距要求。
知识点:连梁抗剪配筋的讨论及优化