小跨高比连梁研究现状

当剪力墙连梁跨高比偏大时，其端部塑性铰区在正、负弯矩交替作用下的抗震表现与一般框架细长梁端塑性铰区相似，其破坏形态一般为弯曲滑移型破坏。故通常可用与框架梁端相同的抗震构造措施来保证联肢墙内细长连梁端部塑性铰区的延性和塑性耗能能力，其抗震设计方法和构造措施均较为成熟，本书不再讨论。

为了满足结构侧向刚度、建筑构造要求或提高结构整体性，联肢墙中经常采用小跨高比连梁。小跨高比连梁属于反弯点在跨中的反对称弯曲深梁，剪弯比较大，难免在达到所需延性之前过早发生剪切破坏，延性及耗能能力较差。目前，各国规范[15~20]给出的小跨高比连梁的跨高比上限值从2～4各不相同，设计规定及建议的解决方案也不尽相同。混凝土规范[15]规定对于一、二级抗震等级连梁，当跨高比不大于2.5时，除采用普通配筋外宜另配置斜向交叉斜筋；高规[16]继续采用普通配筋钢筋混凝土连梁，以跨高比2.5为界给出不同的连梁斜截面承载力计算公式，并单独给出了跨高比不大于1.5的连梁的纵向钢筋配筋率限值；美国混凝土建筑规范ACI 317-11[17]规定当跨高比不大于2时，应采用交叉暗柱式配筋方法，当跨高比大于2、不大于4时，允许采用交叉暗柱式配筋方法；欧洲规范Eurocode8[18]规定，连梁跨高比小于3时，应沿对角方向配置交叉暗柱式钢筋；加拿大规范CSAA23.3-04[19]规定跨高比小于2的连梁，应配置交叉暗柱式钢筋；澳大利亚规范AS3600-2001[20]规定对跨高比小于4的连梁斜截面承载力可采用基于拉-压杆模型的方法、线性或非线性分析方法或建立在试验研究基础上的经验公式确定。因此，由于连梁对剪力墙结构的重要性，寻找适用面广、施工便捷，且能保证连梁的延性和塑性耗能能力的小跨高比连梁设计方案，成为近年来各国钢筋混凝土结构抗震性能研究中的一个重要课题。

连梁按所采用的材料主要可以分为钢连梁、钢与混凝土组合连梁、钢筋混凝土连梁等。文献[21～23]进行了跨高比1.11～1.98，以受剪为主的钢连梁低周往复试验，其位移延性系数为3.0～8.8，抗剪承载力较大，具有良好的延性和耗能能力。但由于钢连梁存在用钢量大，且与钢筋混凝土墙肢的连接及防火等问题，使得钢连梁不宜优先选用。目前，钢连梁的研究主要集中在钢连梁与钢筋混凝土墙肢节点的承载力方面[24]。钢与混凝土组合连梁是在混凝土内加入型钢或钢板。试验研究表明[25～28]，对于跨高比小于1.5的连梁，其位移延性与钢连梁相似，对节点的锚固要求也略低于钢连梁，但仍需解决好连梁两端与墙肢连接、锚固可靠性以及施工方面的问题。相较于钢连梁及钢与混凝土组合连梁，钢筋混凝土连梁施工方便、节点区受力性能良好，是目前应用最广的一种连梁，但其抗震性能有待进一步提高。大量研究表明，影响小跨高比钢筋混凝土连梁延性及耗能能力的主要因素有跨高比、配筋方式和基体材料等。下面根据其主要影响因素分别介绍小跨高比钢筋混凝土连梁的发展情况。

（1）增大连梁跨高比改善其抗震性能

研究表明连梁的延性及耗能能力随着跨高比的增大而增大，因此以增大连梁跨高比为出发点，相关学者分别提出了双连梁[29，30]、自控连梁[31，32]、带摩擦滑动面的刚性连梁[33]等，如图1.4所示。

图1.4 几种开缝连梁

双连梁是通过在连梁中部以水平缝隔开形成上、下两根连梁，通过增大其跨高比以增大连梁的延性及耗能能力（图1.4a）。但双连梁计算中采用并排的双梁，没有考虑到上、下双连梁的拉、压力形成的力偶，其实际受力与计算差异很大，开缝后的刚度仅为开缝前的1/4，显著降低了联肢墙的整体性，使得这种连梁没有得到广泛的应用。

双功能钢筋混凝土自控连梁是在连梁的两端沿梁高中心线方向各设一条长度为0.2l～0.3l的水平通缝；在跨中其余部分，在梁的两侧设置水平缝槽，箍筋不通过缝槽；为防止两端滑移，在梁的两端加设4个“X型”钢筋（图1.4b）。双功能钢筋混凝土自控连梁延性与双连梁相当，但其刚度与普通配筋混凝土连梁相比，消弱不超过10%，是一种有效的连梁方式。然而这种连梁施工时，为了确保分离缝和混凝土键处凹槽的实现，须采用分段立模，施工难度较大。

带摩擦滑动面的连梁首先在连梁中部以水平缝隔开形成上、下两根连梁以增大连梁跨高比；之后，为了保证连梁的刚度及整体性，在连梁通缝内设置摩擦滑动面连接上、下两根连梁，滑动面由两块钢板通过高强螺栓连接而成，通过调节螺栓控制滑动面的滑动，来调节连梁的刚度、强度和延性（图1.4c）。试验结果表明，跨高比为1.0的带摩擦滑动面连梁，延性与普通配筋混凝土连梁相比增加了2.4倍，但强度降低了24%，且施工较复杂。

（2）通过不同配筋方式改善连梁抗震性能

①增配梁端抗剪钢筋

为了防止连梁梁端发生弯曲滑移并提高梁端抗剪能力，Tas-sion等[34]提出在梁端布置销栓钢筋及弯起钢筋的方法，通过在梁墙交界面配置局部或者沿跨度通长的抗剪钢筋，增加梁墙交界面抗剪能力，如图1.5a、b所示。试验结果表明，对于跨高比小于2的连梁，在普通配筋连梁中配置短销栓筋，连梁抗剪承载力不变，延性和耗能能力略有提高；当配置长销栓筋时，连梁抗剪承载力提高，但其延性及耗能能力均减小。总体来说，这种方法对提高小跨高比连梁延性及耗能能力并不明显，但可以在一定程度上防止连梁发生剪切滑移破坏。因此，Rémy等[35]将其作为一种辅助配筋方式，应用于对角斜筋小跨高比连梁中，如图1.5c所示。

②对角暗柱式配筋方法

震害及相关试验研究表明，在地震作用下，普通配筋小跨高比连梁迅速丧失其承载能力，其最终破坏形态为沿对角方向的剪切破坏，如图1.6所示。根据小跨高比连梁受力机理及破坏形态的特点，T.Paulay提出在普通配筋基础上增设对角交叉暗柱的交叉暗柱式配筋方案[36]，如图1.7所示。其中，对角暗柱由箍筋、被箍筋约束的核心混凝土及至少四根纵筋组成，基本沿主应力（连梁主对角线）方向配置，对角暗柱可以充分抵抗连梁中的主拉应力，主压应力由钢筋和混凝土共同承担。试验研究表明，该连梁具有良好的延性及耗能能力，且强度损失很小。这一配筋方案先后被美国混凝土建筑规范ACI-318[17]、新西兰规范NZS3101[37]、欧洲规范Eurocode8[18]、加拿大规范CSA23.3[19]以及我国混凝土结构设计规范GB50010-2010[15]所采用。然而，实际施工时发现该连梁钢筋重叠层数过多，用钢量大，钢筋绑扎及混凝土振捣都较为困难，很难在截面宽度为350mm以下的连梁中实施。

图1.5 加强端部抗剪示意图

图1.6 普通配筋连梁小跨高比连梁破坏形态

图1.7 交叉暗柱式配筋图

③交叉配筋连梁

各国学者以对角暗柱式配筋方式作为借鉴，提出了对角斜筋连梁[38]、菱形配筋连梁[39]、复合斜筋连梁[40]、三层封闭约束箍筋连梁[41]等配筋方式的小跨高比连梁（如图1.8所示），并对其抗震性能进行了试验研究。

对角斜筋配筋方案（图1.8a）是在连梁对角方向配置单根钢筋，适用于梁宽较小的连梁。试验研究表明[36]，对角斜筋配筋连梁相较普通配筋连梁承载力、延性及耗能能力均有提高。但当连梁跨高比小于1.5时，剪压比过大，斜向交叉钢筋极易发生局部屈曲破坏，连梁的延性及耗能能力均较差，最终发生剪切破坏。

菱形配筋连梁（图1.8b）与对角斜筋配筋连梁抗震性能相似。当跨高比较小、剪压比较大时，其延性及耗能能力均不理想，最终发生剪切破坏。

复合配筋连梁（图1.8c）结合了对角斜筋配筋与菱形配筋的优点。试验研究表明[40]，当连梁梁宽为130mm、跨高比为0.8～2.0时，其位移延性可以达到3.2～8，具有较好的抗震性能；当跨高比小于1.5时，最终发生剪切破坏。

三层封闭约束箍筋配筋方案（图1.8d）是利用阶梯形箍筋形成的约束混凝土斜压杆来抵抗压力。试验研究表明[41]，梁宽为100mm、跨高比为0.75～1.5的连梁，其位移延性系数为1.8～2.8；当跨高比大于1.0时，发生弯剪破坏，跨高比小于1.0时，发生剪切破坏。这种配筋方式提高了连梁的耗能能力，但对延性及抗剪承载力的作用并不明显。

图1.8 交叉配筋连梁的几种形式

（3）改善连梁基体材料提高其抗震性能

基体材料作为钢筋混凝土连梁主要组成部分，其力学性能对连梁抗震性能有较大的影响。为了解决钢筋配置过密造成的用钢量大、施工困难等问题，并进一步提高连梁抗震性能，另一种研究思路就是改善连梁基体材料。目前已应用于钢筋混凝土连梁中的基体材料有高强混凝土、陶粒混凝土、钢纤维混凝土、纤维增强混凝土（FRC）等。

与普通混凝土相比，高强混凝土不仅有较高的抗压强度，而且其抗拉强度也得到相应的提高。文献[42～44]将高强混凝土应用于普通配筋混凝土连梁中。试验结果表明，采用高强混凝土作为连梁基体，可有效提高连梁的抗剪承载力及初始刚度；当跨高比大于3时，连梁延性及耗能能力略有提高。

陶粒混凝土以陶粒代替石子作为混凝土粗骨料，是一种轻骨料混凝土。王维汉等[45]将其应用于普通配筋连梁和对角斜筋连梁中，做了19个连梁足尺试件，跨高比为1.4~3.2。试验结果表明，强屈比、计算剪箍比、名义剪压比和跨高比是影响陶粒混凝土连梁破坏形态、滞回性能和耗能能力的主要因素，但对陶粒混凝土对连梁抗震性能的贡献没有进一步说明。

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝扩展及宏观裂缝的形成，显著地改善混凝土抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性。Chaallal[46]最早将钢纤维应用于连梁中，钢纤维掺量为0.76%。试验结果表明，连梁基体材料采用钢纤维混凝土，其承载力、耗能能力及延性均有一定程度的提高，其中耗能提高幅度最大，约1.3倍。赵军等[47～51]和张宏战等[52～53]研究了不同纤维体积掺量、不同跨高比对钢纤维连梁抗震性能、裂缝发展及破坏形态、斜截面承载力的影响。试验结果表明，随着钢筋混凝土连梁中钢纤维体积率的增加，连梁的延性、耗能能力及刚度都呈现上升趋势；钢纤维能够约束连梁裂缝发展，改善连梁破坏形态，显著提高连梁开裂荷载；但对于跨高比小于1.5的连梁，钢纤维混凝土对连梁延性及耗能能力影响不显著。

Canbolat等[54]最早提出将纤维增强混凝土（FRC）应用于小跨高比连梁中。Canbolat等做了4个跨高比为1.0的不同材料和配筋方式连梁抗震性能的对比试验，其中，试件1为普通混凝土对角暗柱式配筋连梁，试件2为PE纤维增强混凝土普通配筋连梁，试件3为PE纤维增强混凝土对角斜筋连梁，试件4为钢纤维增强混凝土对角斜筋连梁；Hyun等[55]也做了4个跨高比为1.0的不同材料和配筋方式连梁抗震性能的对比试验，试件1为普通混凝土对角斜筋连梁，试件2为PE与SC混合纤维增强混凝土对角斜筋连梁，试件3为PE与SC混合纤维增强混凝土普通配筋连梁，试件4为PE与SC混合纤维增强混凝土菱形配筋连梁；Rémy[35]等对跨高比为1.75～3.3的钢纤维增强混凝土普通配筋及对角斜筋连梁进行了试验研究。以上试验结果均表明，基体材料采用纤维增强混凝土（FRC）的连梁，其受剪承载力为普通混凝土连梁的2~3倍，弦转角最高达8%，破坏时裂缝形态细密，未出现混凝土崩落现象。

综上所述，将纤维增强混凝土（FRC）应用于对角斜筋小跨高比连梁中，是提高小跨高比连梁抗震性能的有效途径之一。目前，对于跨高比不大于1.5的FRC对角斜筋连梁，仅个别学者做了试探性的研究。因此，本课题组将利用地方材料配置的FRC（PVA纤维）应用于跨高比不大于1.5的对角斜筋连梁中，进一步研究各参数对该连梁抗震性能的影响，并提出其受剪承载力计算公式。