混凝土异形柱结构特点及其应用分析.pdf
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1、文章编号 100426410 (2007) 0120060204 混凝土异形柱结构特点及其应用分析 张喜德,杨 涛,许伟军,李东超 (广西大学 土木建筑工程学院,广西 南宁 530004) 摘 要:通过对异形柱结构设计计算原理、 异形柱结构的刚度和延性以及抗震性能等方面的研究,并结合带暗柱异 形柱结构和型钢异形柱结构新体系的研究现状,指出异形柱结构具有良好的工作性能和应用前景。随着研究的深 入,异形柱结构在工业及民用建筑中的应用将得到进一步推广。 关 键 词:混凝土;异形柱;钢骨异形柱 中图分类号:TU312 文献标识码:A 收稿日期:2006 - 09 - 12 作者简介:张喜德(1963
2、- ) ,男,广西防城港人,广西大学土木工程学院副教授。 采用截面为T形、+形、L形、Z形等形状的异形柱结构,可避免室内出现梁柱的棱角,增加建筑空间,并 提高其使用功能及室内布置的灵活性;但采用异形截面柱后,结构的受力性能有了明显改变,对计算理论、 设 计方法、 施工技术等都提出了新的课题。为此,国内外广大学者对钢筋混凝土异形柱的结构体系的设计计算 方法及理论、 抗震性能等各方面开展了广泛的试验与理论研究,取得了许多新的研究成果。 1 普通异形柱结构的计算理论与性能研究 111 异形柱结构截面承载力计算 异形柱结构研究中的首要问题是异形柱的截面承载力,包括异形柱的正截面承载力和斜截面承载力。
3、异形柱正截面承载力计算有多种方法,较常用的方法为纤维条带法;经过试验及理论对比 1 ,证明条带法在 计算正截面承载力时是可以满足工程精度要求的。异形柱正截面承载力计算还可以采用有限单元法,但单 元划分较复杂,运算量相对较大。影响异形柱斜截面抗剪承载力的因素有剪跨比、 轴压比、 配箍率以及荷载 的反复作用。在剪跨比和轴压比大、 配箍率相对较低时以及荷载反复作用下,异形柱的抗剪强度都会降低。 112 异形柱结构的延性及刚度 经过合理设计,异形柱框架结构同样可以具有较好的延性 2 ,但与普通混凝土柱相比较异形柱截面延性 相对较差。根据试验研究,异形柱的延性主要与轴压比、 箍筋的直径与间距、 荷载角等
4、因素有关。我国现行 混凝土结构设计规范(G B50010 - 2002)中对框架柱轴压比的限值规定,主要基于受压破坏时变形性能较好 的大偏心受压破坏理论。由于在相同轴压比的情况下矩形截面柱受力较异形柱有利,故可将普通框架柱轴 压比限值适当调低,以此作为异形柱轴压比设计的依据。在确定异形柱轴压比时,也可直接将异形柱的延性 与轴压比挂钩 3 ,根据抗震等级、 箍筋直径等因素来确定合理的轴压比。影响异形柱延性的其他主要因素还 有荷载角及配箍特征值等。不同截面的异形柱都有相应的最不利荷载角 4 ,在荷载沿最不利荷载角作用于 结构的情况下,柱的延性最差,因此应根据柱的受力特点选择截面形式。同时,箍筋的配
5、置对异形柱的延性 也有较大影响,高配箍特征值可较大的改善柱的延性。异形柱的轴压比限值与箍筋构造还可通过电算获 得 5 ,并可以作为改善结构延性性能的参考指标。 异形柱结构的刚度主要指其抗侧力刚度,一般由柱的刚度、 填充构件和支撑构件的刚度组成。异形柱由 第18卷 第1期 广 西 工 学 院 学 报Vol118No11 2007年03月JOURNAL OF G UANGXI UNIVERSITYOF TECHNOLOGYMar12007 于其形状不规则,在承受沿结构轴向水平荷载作用时,与荷载作用方向垂直的翼缘板提供的抗侧刚度有限。 在进行抗侧刚度分析时,应考虑柱截面剪切变形和梁柱节点处刚域对其内
6、力和侧移的影响 6 。通过对三个 七层结构的中框架底部三层的13缩尺模型的试验分析,说明填充墙对异形柱结构刚度也有较大的影响,在 分析计算时应分情况考虑 7 。由震害及相关分析可以看出在设置填充构件时 8 ,应避免由于填充构件的约 束效应、 刚度效应改变原有结构的受力性能,例如由于填充构件布置不当可能将长柱变为短柱,框架梁变为 短梁,从而造成结构的脆性破坏。 113 异形柱结构抗震性能的研究 异形柱的抗震研究主要采用梁柱节点试验、 整体结构缩尺模型试验或实体模型试验。经过试验分析发 现,一般异形柱结构在地震作用下有明显的薄弱层和薄弱部位,只要通过对这些部位进行加强设计,也可以 实现 “强柱弱梁
7、,强节点弱构件” 的设计意图,从而提高抗震性能。 根据研究证明,异形柱结构能够满足7度区结构的抗震要求,一般适用高度为框架结构20 m左右,框架 -剪力墙结构40 m左右,我国 混凝土异形柱结构技术规程 对此做出了明确规定。文献9对8度区建筑 的抗震性能进行了研究,指出在高度相同时,异形柱框架-剪力墙体系相对异形柱框架的抗震性能好。与普 通柱结构体系类似,在地震作用下角柱受的影响最大,边柱次之,同时轴压比、 配箍特征值等对异形柱弹塑性 变形能力影响较大。结合对异形柱结构抗震性能的振动台研究 10 ,可以确定异形柱结构在8度烈度区应用 的可行性,但在8度区应用异形柱结构时宜结合其他结构形式,如采
8、用框 桁架结构、 框剪结构等,否则应对 异形柱结构的高度做出限制。对于异形柱结构在9度烈度区的应用目前研究文献较少,其适用性有待进一 步研究。 114 异形柱结构减震防震措施的研究 在地震作用下,异形柱框架结构最大弹塑性层间位移通常发生在结构底部。常见的加强薄弱层的措施 应在底层设置支撑 11 、 芯柱,利用已有构件,如适当加强底层楼梯的设计,使其与框架有可靠的连接以产生 支撑作用,同时考虑到受力的复杂性,可在设计时将基础与底层异形柱的连接部位改设为矩形柱,或将整个 底层柱改设为矩形柱。郑汉兵等人通过试验 12 ,对底层为矩形柱,其他各层为异形柱的三层两跨模型进行 了抗震性能分析,通过试验发现
9、,由于结构底层采用矩形柱,使得底层明显屈服位移角和弹塑性变形位移角 均比二、 三层小,结构延性较好,同时结构刚度分布更趋均匀,有利于抗震。 异形柱结构中较为常见的薄弱构件为角柱。通常加强角柱的抗震构造措施为沿柱高全长加密箍筋。考 虑到结构顶层轴压比小,梁内钢筋全部伸入角柱的特点,在确定薄弱部位时应注意顶部角节点的抗震性能。 文献13通过对异形柱框架顶层角节点的试验研究,得出了柱的截面形式影响角节点破坏形式的结论,并建 议在异形柱结构设计时,顶层柱最好设计成等肢柱,以改善节点受力,提高节点的抗剪性能及延性。其他薄 弱部位宜根据结构特点确定:如结构中的大开间房屋地震反应比小开间房屋大,就可将其视为
10、结构中的薄弱 部位加强设计,并采取相应的构造措施。 2 新型异形柱结构的研究 要提高异形柱结构的刚度可采取设置支撑,合理布置剪力墙等措施。要改善结构延性,可采用增加配箍 率,控制轴压比,合理的布置暗柱等方法,其中布置暗柱是异形柱结构改善延性的特殊措施。通过对+字形, L形和T形带暗柱异形柱的试验研究 14 ,15 ,可以看出带暗柱异形柱比普通异形柱的抗震能力有较大的提高, 加设暗柱是提高异形柱抗震能力的一种有效措施。暗柱可只在轴压比较大的底部楼层或者结构薄弱层设 置,同时应保证暗柱中钢筋在基础中的良好锚固。 要改善结构构件的性能有多种途径。从材料上来说,可采用新的高性能材料或复合材料,例如钢纤
11、维混 凝土等 16 。从结构类型上来说,可采用钢骨混凝土异形柱结构。钢骨异形柱是随着异形柱结构的应用而出 现的一种新的结构形式。文献17就钢骨混凝土异形柱的一种特殊形式(球拍形)进行了正截面承载力理论 分析,通过分析比较可以看出,钢骨异形柱能明显提高异形柱的延性和承载力。钢骨混凝土异形柱由于其配 置钢骨的不同,性能也会有一定差异。在异形柱柱肢交汇处配置钢骨,可以改善构件性能,但可能增加施工 难度,同时,柱肢由于要与梁连接,受梁的局部压应力大,所以仍需要在柱肢端部配置较多钢筋,或者配置钢 16 第1期 张喜德等:混凝土异形柱结构特点及其应用分析 骨,而钢骨混凝土异形柱的钢骨配置优化有待进一步的研
12、究。 目前,广西某高校对几种钢骨异形柱结构进行了研究,其中包括桁架式钢骨混凝土异形柱(柱中钢桁架 如图1a) ,柱中配置型钢的异形柱结构(图1b ,c)。文献18对内含桁架式型钢骨架的不对称T形截面异形 柱分别进行轴心受压、 单向偏心受压以及双向偏心受压不同工况的试验研究和理论分析。上述试验及理论 分析表明混凝土强度等级 19 、 截面型钢配钢率、 轴压比对内含桁架式型钢骨架异形柱正截面承载力的影响 明显。混凝土强度等级越高,承载力越大;型钢配钢率越大,构件承载力越大;高轴压比的情况下,柱的抗弯 承载力和延性降低较快。根据试验结论,内含桁架式型钢骨架的不对称T形截面异形柱,在柱腹板与翼缘交 接
13、处配置型钢对承载力的贡献不大,建议在此节点仅按构造配置型钢。另外,广西大学对若干如图 (1b 、 c) 所 示的钢骨异形柱 普通钢筋混凝土梁所组成的节点试件进行了低周反复加载试验;试验表明在异形柱翼缘 与腹板节点处配置钢管后,试件破坏一般属于 “强节点,弱构件”,破坏大多在梁端。型钢的配置能提高节点 承载力,改善延性,同时,若干双向地震作用下的钢骨异形柱 普通钢筋混凝土梁所组成的节点试验,表明钢 骨异形柱节点具有较好的抗震性能。综合以上研究,认为在异形柱中配置钢骨可以较大的改善构件的工作 性能,但在配置钢骨时应选取合理的位置与配钢率。另外,可考虑在异形柱结构中轴压比较大的底层或底部 若干层,或
14、者在薄弱部位采用钢骨异形柱,在其它部位仍采用普通异形柱结构,从而在降低成本的同时改善 结构工作性能并提高适用高度。 图1 两种钢骨异形柱示意图 3 异形柱结构有待进一步研究的问题 在异形柱结构的研究中,还有一些问题需要解决。虽然异形柱结构设计理论和方法逐步得到完善,但仍 缺乏简便的设计公式。目前对异形柱结构的抗震性能研究较多,但在进行试验时采用的试件多为梁柱构件 或节点构件,对于异形柱结构空间作用下的抗震性能研究不足,文献20对异形柱结构在空间作用下的抗震 性能进行了分析,但多采用的是有限元软件进行的仿真计算,这方面的结构试验数据需要进一步充实,同时, 钢骨异形柱等异形柱新体系的计算理论与工作
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- 混凝土 异形 结构 特点 及其 应用 分析
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