改善小跨高比连梁抗震性能方法研究进展

马士俊张爱社

(山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101)

0 引言

连梁作为剪力墙结构和框架—剪力墙结构内在平面内连接两墙肢之间的梁，是保证高层建筑常用结构体系抗震性能的关键构件[1]。剪力墙中连梁通常梁高较大，跨度相对较小，在高层民用建筑中的连梁，跨高比＜2.5，属于小跨高比连梁。在水平荷载作用下，在连梁梁端产生较大的约束弯矩与剪力，使连梁产生较大的剪切变形，易于发生延性较差的剪切破坏[2]。连梁的3种破坏形态分别是弯曲滑移型破坏、弯曲剪切型破坏以及剪切型破坏[3]。设计合理的连梁在地震作用下，将先于墙肢屈服，在连梁梁端出现塑性铰，其他部分保持弹性，消耗地震能量，达到耗能减震的目的，同时减少主体结构的损坏[4]。GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中对于连梁的设计要求是将连梁以跨高比为分界线，跨高比＞2.5的连梁按普通梁进行计算，跨高比＜2.5的连梁称为小跨高比连梁，按连梁的设计规范进行计算[5]。

针对小跨高比连梁，许多学者相继展开研究，总结国内外学者改善小跨高比连梁的抗震性能方法，可解决实际中小跨高比连梁在地震作用中易发生脆性的剪切破坏问题，为提高高层民用建筑的抗震性能提供参考依据。文章将围绕新型配筋形式连梁，钢—混凝土组合连梁，可更换连梁，新型截面形式连梁以及新型混凝土材料连梁5种改善抗震性能的方法进行总结阐述。

1 新型配筋形式改善抗震性能

采用新型的配筋形式是改善小跨高比连梁抗震性能的最常见的方式，从20世纪60年代末期，国内外学者相继提出不同的新型配筋形式。

1.1 交叉暗撑配筋形式

20世纪60年代末，Paulay等[6]最早提出对角斜筋的连梁配筋方案，之后进一步沿斜向配箍形成交叉暗撑配筋形式，其构造如图1(a)所示。连梁中的交叉斜筋可以同时起到抗剪和抗弯作用，沿对角线布置的斜筋一向受拉，另一向受压。2组钢筋在梁端截面中将以其轴力的竖向分量参与抗剪，从而减轻量内其与抗剪成分的负担，不仅可以防止混凝土发生剪切破坏，而且可以避免梁端的剪切滑移。同时交叉暗撑的箍筋能为斜向混凝土提供一定约束，并能推迟受压斜筋在连梁出平面方向的压屈失稳。该方案先后在美国、新西兰、加拿大、欧洲和中国的规范中使用。国内外学者相继对对角暗柱配筋形式进行验证。采用此种配筋形式的剪力墙的开裂荷载以及极限承载力都有较大提高，增强了剪力墙的变形能力的同时，耗能能力得到极大优化[7]。但对角交叉暗柱配筋在宽度方向需要配置大量纵筋及箍筋，因此在宽度较小的连梁中钢筋绑扎困难，不宜施工。在 GB 50010—2010中规定，当连梁宽度＞400 mm时，宜采用此种配筋形式[5]。

1.2 对角斜筋配筋形式

1980年，Barney[8]提出对对角暗柱配筋进行简化，形成对角交叉斜筋形式，如图1(b)所示。随着荷载增大，连梁在裂缝处发生滑移直至破坏。该方案可以使小跨高比连梁取得较好的延性和耗能能力。同时混凝土强度对结构承载力、抗震性能起主要作用。在对角斜筋配筋形式中，斜向钢筋的走向与连梁弯矩的发展方向一致，连梁的抗剪与抗弯都由斜向钢筋承担，但也存在一些不足，实际情况中连梁的反弯点并不一定在连梁跨中位置，因此连梁的受力并不能完美符合斜向配筋的走向。而且当连梁两侧的混凝土被压碎开始剥落的时候，斜向钢筋将被压屈，对角斜筋配筋形式的连梁将发生劈拉式剪切破坏[9]。

1.3 菱形配筋形式

为了在小跨高比连梁中避免混凝土连梁的脆性破坏，Tegos等[10]将主筋布置成菱形桁架式，形成菱形配筋形式，其构造如图1(c)所示。在连梁中简单加设4组折线形钢筋，菱形筋更好的符合连梁弯矩的变化规律，菱形配筋形式中的斜向配筋随着连梁长度减短而斜率更大，越接近于连梁的剪力方向，因此在跨高比越小的连梁中，菱形筋的抗剪能力越强。对菱形配筋方案的研究表明，相比于交叉暗柱配筋形式的连梁，对角斜筋配筋形式与菱形配筋形式的钢筋走向虽能符合连梁的剪力发展方向，但延性系数只提高到约2.0～3.0的水准，个别情况略＞4.0，且耗能一般[11]。

1.4 综合配筋形式

傅剑平等[12]在菱形配筋基础上加设对角斜筋，从而形成新型的综合配筋形式，如图1(d)所示。其优势表现在双向交叉斜向钢筋在连梁腹板内布置较分散且均匀，不仅可以有效防止过早发生的错动型剪切破坏，而且能使腹板混凝土沿斜向较均匀受压，斜筋分担了部分斜向压力，而L形筋还提供了少量侧向约束，因此由梁腹板混凝土斜向压溃导致的剪切破坏发生较迟，使连梁发挥出良好延性。对综合配筋形式与单独配置菱形钢筋方案进行对比试验。试验结果显示综合配筋形式连梁的裂缝分布更均匀，同时综合配筋形式连梁中的对角斜筋以及菱形筋配的越多，连梁的延性以及耗能能力就越好，在一定范围内，配筋率与连梁的延性成正比。通过对不同配筋形式的小跨高比连梁进行数值分析结果表明，相比于交叉暗撑配筋以及对角斜筋配筋，综合配筋形式的连梁钢筋应力和连梁裂缝分布更加均匀[13]。

1.5 其他配筋形式

根据拉杆一压杆模型和软化压杆—拉杆模型的原理，梁兴文等[14]把连梁中的箍筋分为3层，每一层约束2层纵筋，其构造如图1(e)所示。由于沿连梁截面高度配置了3层箍筋，箍筋对混凝土的约束作用增强，提高了混凝土斜压杆的受压承载力，使得混凝土刚度退化程度降低；因每层箍筋的拉力传递给构造钢筋并在此处得到平衡，从而传递给混凝土的拉力明显降低，减少了其软化程度，提高了桁架—拱模型中斜压杆的承载力。通过对3层箍筋配筋方案的连梁进行试验发现，其连梁相比于普通配筋形式的连梁耗能更强，延性更好。随后，张敬书等[15]提出一种强化配筋形式，其采用加密腰筋间距，在截面中部设置钢筋网片的方案，强化配筋连梁不仅具有较高的抗剪承载力，同时相比于其他配筋形式施工更为简单。

图1 新型配筋形式连梁构造图

对于小跨高比连梁，为使连梁强度和延性二者兼顾，目前新型配筋形式是最有效的办法。当跨高比＜1.5时，由于交叉斜筋能抑制梁内交叉裂缝，且配筋符合连梁应力分布，对角暗柱配筋较为合理，但此种配筋形式要求墙厚一般＞350 mm，以便于施工。3层箍筋配筋形式虽然对角斜压杆的作用上不如交叉暗撑方案好，但对抵抗整个连梁形成的斜压力场有更大优势。对角交叉暗柱通过牺牲施工便捷来换取较优的抗震性能，3层箍筋形式不仅抗震性能优良而且施工简便。当跨高比＞1.5时，剪力传递主要是通过对角斜压杆和斜拉杆，综合配筋方案更能表现出优势。

2 钢—混凝土和可更换构件改善抗震性能

2.1 采用钢—混凝土组合结构

在高抗震设防地区和高抗震性能要求的建筑结构中，连梁延性和耗能能力很难满足要求。为此，20世纪80年代开始研究新的连梁形式——钢—混凝土组合连梁。这种连梁兼有钢连梁和混凝土连梁的优点，具有较高的承载力和位移延性。

2.1.1 型钢连梁和劲性混凝土连梁

对于钢—混凝土组合连梁的研究最早起始于美国辛辛那提大学对型钢连梁的研究[16]。试验发现型钢连梁的滞回曲线饱满，承载力退化少，适用于强烈度抗震设防的地区。型钢连梁与钢筋混凝土剪力墙组成的组合结构相辅相成，这种组合结构不仅强度高、刚度大，同时延性以及耗能能力都表现良好。2017年钢连梁成功用于马来西亚吉隆坡的标志塔[17]结构中，该钢连梁结构抗侧刚度更大，设计合理。

韩小雷[18]首次提出带型钢的劲性混凝土连梁，构造如图2(a)所示。普通钢筋混凝土刚性连梁多发生脆性破坏，而劲性混凝土刚性连梁发生弯曲破坏，耗能效果好。对带型钢的劲性混凝土连梁进行低周反复加载试验，结果表明混凝土中加入钢材可以有效提高连梁的抗剪承载力，增强延性以及耗能能力。劲性混凝土连梁破坏前塑性变形很大，即使外部混凝土破碎仍有很高的承载力，刚度退化不明显，且表现出很强的耗能能力与抗震性能，型钢在劲性混凝土连梁的破坏中起主导作用。同时型钢混凝土连梁在实际工程中的应用[19]，充分利用了型钢良好的延展性能，使连梁尺寸得到极大优化，提高了经济效益。

2.1.2 钢板混凝土连梁

由于型钢会对墙肢中边缘纵筋布置带来困难，且施工时混凝土不易浇筑，为此研究者们对其进行改进，用钢板代替型钢得到钢板混凝土连梁。钢板混凝土连梁同样能达到和型钢混凝土连梁一样的高延性高耗能，施工方便，且不影响墙肢内钢筋布置。

钢板混凝土组合连梁[20]最初在 1999年由Subedi提出，如图2(b)所示。钢板混凝土的3种破坏形态分别为:弯曲破坏、剪切破坏以及斜向劈裂破坏。内置钢板不仅减小了梁截面面积，同时提高了梁刚度。许多学者对钢板混凝土连梁进行了大量实验研究，结果表明在钢板混凝土连梁中，钢板取代了腹筋，同时起到抗弯与抗剪的作用，增大钢板的截面面积可以显著提高连梁的抗震性能，含钢率较高的连梁变形能力更好，承载能力显著提高，滞回和耗能稳定，延性更好。同时焊接在钢板上的栓钉起到传递混凝土与钢板间剪力的作用，增大栓钉的数量也能有效提高连梁的抗震性能。钢板混凝土连梁的极限剪切承载力远高于现行规范[21-23]。

2.1.3 钢管混凝土连梁

在钢板混凝土连梁出现的同一年，Teng等[24]提出了在矩形钢管内灌注混凝土形成钢管混凝土连梁，构造如图2(c)所示。由于内部填充混凝土的约束作用，外包钢管没有发生屈服破坏，钢管混凝土连梁最终因为钢管受拉翼缘被拉裂而破坏，钢板承载力得到了充分发挥，达到了很高的极限承载力，而且后期刚度与刚度退化均很小。经试验表明，外包钢板混凝土组合连梁，试件的延性好、耗能能力强，但外包钢管的制作较复杂，对于钢管闭合处的焊缝的要求极高，同时钢管内混凝土浇筑较为困难。

图2 钢—混凝土组合连梁构造图

2.1.4 钢桁架连梁

张云鹏等[25]提出的矩形钢管混凝土叠合柱边框内藏钢桁架深连梁联肢剪力墙结构，如图3所示。钢桁架混凝土组合连梁延性好、承载力高、刚度退化慢、耗能能力强。胡强等[26-27]对钢桁架连梁进行低周反复加载试验和有限元模拟，结果表明，混凝土剪力墙中的桁架体系使得剪力墙的受力更均匀，整体刚度分布合理，且地震作用时的剪力传递机制以及刚度退化机制更加完善，合适的连梁尺寸才能保证连梁的抗震性能。

虽然钢连梁抗震性能好，耗能和延性均表现出色，但钢连梁的截面刚度较小，削弱了与墙肢之间的联系，导致结构的水平位移增大。同时钢连梁耐火性能差，在火灾情况下，钢连梁极易发生失稳丧失承载力，安全性能低。目前工程中使用的钢板—混凝土组合剪力墙有:(1)在传统钢筋混凝土剪力墙中埋置钢板；(2)将钢板包在混凝土外侧，并通过一定的构造措施使钢板与混凝土协同作用。与型钢相比，钢板在与墙肢连接时不影响墙肢边缘构件中竖向纵向钢筋的连续性，更方便施工。对于钢桁架连梁，其设计要求在规范中并不完善，目前的实验研究以及实际应用都太少，处在初期阶段，同时钢桁架连梁的受力机制以及传力机理还有待进一步的研究。鉴于钢管混凝土施工复杂，所以钢板混凝土连梁在改善小跨高比连梁抗震性能上的应用更加成熟且有效。

图3 钢桁架连梁构造图

2.2 采用可更换构件

Fortney等[28]提出可更换保险丝连梁的概念。可更换的保险丝连梁是把一根工字钢连梁分成3段，中间段的腹板被削弱成为保险丝。这种保险丝连梁的抗震性能表现良好，且中间段的腹板破坏后可以进行更换。通过对安装该连梁的框架剪力墙结构整体模型进行非线性时程分析，发现连梁塑性变形集中在“保险丝”处，且结构本身的强度和刚度没有降低。吕西林等[29]将可更换连梁定义为一种在地震后易于修复或更换的连梁，受损部位可拆卸，可更换部位一般通过高强螺栓进行连接。通过试验发现，在腹板上采用菱形开孔可增强耗能能力。

在可更换的保险丝连梁这一概念提出后，国内外学者集思广益，对可更换连梁这一概念提出各种附加摩擦阻尼耗能构件的可更换连梁[30]，如黏弹性连接阻尼器连梁[31]、带有 X型钢板阻尼器的连梁[32]、梁截面削弱型黏弹性连梁阻尼器连梁[33]以及带缝钢板阻尼器连梁[34]。通过对这些附加摩擦阻尼器连梁的低周往复加载试验和数值分析，结果显示附加摩擦阻尼耗能构件的连梁通过自身变形，可以减小结构的层间位移，提供给整体结构更大的塑性变形能力，但对刚度和承载力削弱不大[35]。含可更换阻尼构件的连梁耗能情况良好，滞回曲线饱满；带阻尼器的连梁比普通连梁耗能更好，但阻尼器变形后对楼板会产生不利影响。

近几年，可更换连梁又出现了新的研究方向。带约束屈曲钢腹板的可更换钢桁架连梁[36]，采用钢板作为腹板，腹板与连梁通过螺栓连接，连梁的两端与剪力墙铰接；跨中截断式可更换钢连梁[37]，可以提高剪力墙的抗侧刚度、承载力和耗能能力；功能自恢复连梁[38]，解决了剪力墙结构体系存在的根本抗震问题。对可更换连梁进行振动台试验，结果表明:设置可更换连梁后结构的残余变形减小，且可更换构件能够集中损伤[39]。

可更换连梁，可更换耗能构件的承载力、刚度以及耗能能力是今后研究的关键。同时可更换连梁耗能构件还应具备连接方便、造价低、性能可靠和易于施工等特点。目前在此方面的研究还都太少，有待后续进一步的发展。

3 新型截面和新型材料改善抗震性能

3.1 新型截面形式

3.1.1 多连梁

清华大学发现在深连梁中开一道槽缝将一根连梁变成2根跨高比大一倍的普通连梁，双连梁就此产生，构造如图4(a)所示。跨高比增大一倍的两根连梁的受力情况与普通混凝土梁较为一致，但开洞后的双连梁延性较不开洞连梁更好。此后又通过开双缝从而提出三连梁，如图4(b)所示。通过双连梁的低周往复加载实验，结果表明在小跨高比连梁中设置水平通缝可有效防止连梁发生剪切破坏，双连梁剪力墙结构能有效降低连梁内力，提高其延性[40]。小震下2分梁一起工作；在大震下，双连梁各自工作，塑性变形能力更强，可以消耗大量地震能量。多连梁的构造形式实际改变了连梁的受力机制，因此在设计多连梁时，不可以对多连梁按抗剪截面面积相等进行简单的等效换算。于德湖等[41]对不同截面形式的连梁进行有限元数值模拟，发现多连梁的每个分梁截面尺寸应相同，且每层连梁的高度＜0.3 m。连梁有良好的承载力储备，兼备结构对延性和刚度的要求。但通过对带楼板的双连梁进行模拟发现，带楼板的双连梁屈服变形大，延性和耗能不如对角斜筋、交叉斜筋的连梁。

3.1.2 宽连梁

刘畅等[42]首次提出宽连梁形式。宽连梁即采用了增大连梁两侧或单侧跨中截面尺寸的设计，提高更大的抗剪截面面积，有效解决了连梁受剪承载力不足的问题。根据抗弯刚度等效原则确定的宽连梁截面尺寸，可以保持宽连梁与普通连梁结构侧向刚度的一致性。通过数值分析发现，与相同抗弯刚度的普通连梁相比，宽连梁的跨高比增大，其转动能力、延性与耗能能力明显增强；罕遇地震作用下，宽连梁剪力墙结构在最大层间位移角、塑性铰分布、连梁剪力、受剪承载力等方面均显著优于普通连梁剪力墙结构。

图4 多连梁构造图

通过在深连梁中加缝形成多连梁的构造设计，与普通连梁相比有3大优点:(1)能较好降低连梁内力；(2)能设置不同的连梁间距，便于建筑设备、管线的布置；(3)能通过个性化设计多连梁的每个连梁，使每根连梁在不同阶段实现不同的性能目标。但是多连梁降低了连梁与剪力墙墙肢之间整体的刚度，削弱了对墙肢的约束作用，同时多连梁端部的抗剪机理同普通连梁并没有改变，因此塑性铰区域的剪切滑移问题并没有从根本上得到改变。多连梁与宽连梁都是通过降低连梁截面高度来增大跨高比，如何和原来的小跨高比连梁进行刚度等效还是一个关键的问题，且对于多连梁以及宽连梁的研究多于数值分析，并没有大量的试验以及实际工程来提供依据。

3.2 新型材料

对于连梁的延性和抗剪承载力的影响因素，主要有跨高比、剪压比以及混凝土材料，因此国内外学者从新型混凝土材料入手，通过改变连梁的受力以及传力性能来提高连梁的抗震性能。

3.2.1 钢纤维混凝土连梁

在混凝土中掺入钢纤维，得到钢纤维混凝土。钢纤维可有效地防止混凝土保护层、斜裂缝面上以及剪压区的混凝土在达到极限状态时发生酥裂和剥落，连梁滞回曲线的捏缩现象得到了改善，而增大配筋率不能缓解滞回曲线的捏缩现象。钢纤维混凝土改善了混凝土的脆性，之后被很多学者采用。车佳玲等[43]通过对不同钢纤维体积掺量的连梁进行试验，结果表明对于只有材料不同的连梁，钢纤维混凝土连梁的抗剪承载力更高，耗能情况更好，刚度退化缓慢，有效的提高了连梁的延性。当混凝土开裂时，钢纤维可以有效的束缚混凝土上的裂缝发展，使得裂缝的分布更加均匀，优化了剪力的传递。同时采用钢纤维混凝土的连梁破坏形态多为延性的弯曲破坏，从根本上改善了连梁的抗震性能。

3.2.2 纤维增强混凝土连梁

在钢纤维混凝土问世后，有学者思考在普通混凝土里掺入各种其他的高强有机纤维。Canbolat等[44]在普通混凝土里掺入高强有机纤维得到纤维增强混凝土。纤维增强混凝土中的高强有机纤维可以增强结构的剪切和弯曲响应，硬化过程中可以使连梁局部得到强化。车佳玲等[43]对对角斜纤维增强混凝土小跨高比连梁进行了试验研究和数值模拟分析得到，纤维增强混凝土的抗拉强度与延性都高于普通混凝土，高性能纤维复合材料延缓了混凝土开裂。在同样配筋情况下，相比普通钢筋混凝土连梁，抗剪承载力有一定提高，而且刚度退化较好，抗震性能良好。用纤维增强混凝土材料制作的剪力墙连梁，表现出良好的延性与耗能性能，在中低度抗震设防时，高强有机纤维可以替代部分箍筋。

采用新型混凝土材料的连梁仍是现今较为新颖的方式，通过钢纤维混凝土以及各种纤维增强混凝土，从根本上改善了连梁的抗震性能，但对于各种新型材料的连梁，对于其破坏形态及传力机理的了解还有待完善，目前国内的规范，对于新型混凝土材料连梁并没有要求，在国内还处在一个较为空白的阶段。

4 展望

新型截面形式是最早被用于改进连梁抗震性能的，同时其也是目前最为普遍且最为成熟的方法。钢—混凝土组合连梁的抗剪承载力高，抗震性能好，耗能和延性均表现出色。可更换连梁造价低，易于施工，耗能能力强。采用新型截面形式的连梁施工简单，延性最好，且成本最低。采用新型混凝土材料的连梁从根本上提高了连梁的抗震性能，优化了连梁的破坏形态。

在前人研究的基础上，今后的研究可以围绕下面几个方面进行:(1)钢—混凝土组合连梁的受力机制、传力机理以及破坏形式和承载力影响因素还有待研究，国内对于此方面的研究较少。钢板与混凝土的粘结问题，以及连梁与混凝土墙肢的连接问题都关系到连梁整体性能的发挥，钢板与混凝土之间如何更好的协同作用还有待研究。(2)对于新型截面形式的连梁的研究多于数值分析，并没有大量的试验以及实际工程来提供依据，如何与原来的小跨高比连梁进行刚度等效还是一个亟需解决的关键问题，未来可补充其相关规范。(3)对于采用新型混凝土材料的连梁的受力机制、传力机理的研究还有待完善，破坏形态还有待考究，选用高延性、高耗能、抗剪能力强的新材料连梁是今后的发展趋势。(4)可更换连梁耗能能力强，施工简单，如何提高耗能构件的承载力和刚度是今后研究的重点。