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分析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中短柱延性
在高層建筑建設(shè)中,短柱的應(yīng)用已經(jīng)比較普遍,而在層高設(shè)計(jì)一定的情況下,為了使建筑延性提高,需要增加柱截面積,降低軸壓比,軸壓比越小,柱截面積越大。
摘要:
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,高層建筑在諸多城市建設(shè)中不斷涌現(xiàn)出來(lái)。在對(duì)高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候,多數(shù)設(shè)計(jì)都可以采用計(jì)算軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),降低了設(shè)計(jì)人員的工作量,但還有一部分工作需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行操作,即按照軟件計(jì)算結(jié)果計(jì)算建筑的受力狀態(tài),對(duì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文主要針對(duì)高程建筑中短柱延性設(shè)計(jì)的提升進(jìn)行分析和研究。
關(guān)鍵詞:
高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);短柱延性;分析
在高層建筑建設(shè)中,短柱的應(yīng)用已經(jīng)比較普遍,而在層高設(shè)計(jì)一定的情況下,為了使建筑延性提高,需要增加柱截面積,降低軸壓比,軸壓比越小,柱截面積越大。所以,在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,為了對(duì)軸壓比限值進(jìn)行滿足,往往需要將柱的截面積提高,出現(xiàn)短柱構(gòu)造,甚至是超短柱構(gòu)造。而在抗震性能的要求下,短柱要求具有足夠的抗震性能,需要將短柱延性進(jìn)行提高,本文也針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中延性提高的方法進(jìn)行分析。
1確定短柱的方法
根據(jù)相關(guān)要求,短柱的定義為柱子凈高(H)比截面高度(h),即H/h≤4時(shí),將該柱稱為短柱,在建筑施工中,施工技術(shù)人員對(duì)短柱進(jìn)行判定的時(shí)候多數(shù)都按照該判定方法來(lái)確定。該判定方法用到的參數(shù)只是層高與柱截面的關(guān)系,而對(duì)柱本身的內(nèi)力關(guān)系沒(méi)有應(yīng)用。
而按照材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,根據(jù)剪跨比(λ)也可作為短柱的衡量依據(jù),即λ=M/Vh≤2時(shí),該柱也為短柱,但是與層高與柱截面的關(guān)系下的H/h≤4的短柱判定方法相比,在這一條件下,λ的取值未必小于2,即不一定是短柱。在多數(shù)設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員都采用H/h≤4來(lái)判斷短柱,主要依據(jù)的原理包含以下幾個(gè)方面:首先,λ=M/Vh≤2;其次,因?yàn)榭蚣苤磸濣c(diǎn)多數(shù)都已交接近柱中點(diǎn),因此M取值為0.5VH,則此時(shí)λ≤2,即H/h≤4。
但是在高層建筑中,由于柱、梁線剛度比較小,特別是建筑底部基層,柱體嵌固的影響比較大,并且柱受梁的約束彎矩較小,反彎點(diǎn)高度大于柱高的一半,甚至反彎點(diǎn)不存在,此時(shí)如果仍采用H/h≤4來(lái)判斷短柱是不合理的,應(yīng)該采用λ=M/Vh≤2進(jìn)行判定。如果反彎點(diǎn)沒(méi)有在柱中點(diǎn),那么柱上部與下部截面彎矩值是不同的,即Mh≠Mt。所以,上部與下部的剪跨比也不同,即λh=Mh/Vh≠λt=Mt/Vt。這個(gè)時(shí)候,對(duì)短柱進(jìn)行判斷時(shí),采用哪一個(gè)截面剪跨比判斷,是一個(gè)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)分析研究,認(rèn)為取二者中的較大值作為判定短柱的依據(jù),即λ=max(λh,λt),其原因包含以下方面:第一,框架柱可看做一個(gè)連續(xù)梁,受定值軸壓力,柱高(Hn)類似于連續(xù)梁的剪跨,相關(guān)試驗(yàn)研究顯示,連續(xù)梁剪跨一定時(shí),在截面下部、上部配置同樣的縱筋,在彎矩較大的區(qū)段會(huì)出現(xiàn)剪切破壞;第二,在框架柱中,彎矩較大的區(qū)段也會(huì)發(fā)生臨界斜裂縫。
實(shí)際上,在連續(xù)梁剪跨或柱高范圍內(nèi),在彎矩較大的區(qū)段上會(huì)出現(xiàn)最大剪跨比。隨著剪跨比的增大,鋼筋混凝土構(gòu)件的抗剪力會(huì)降低。因此,在相同條件下,彎矩較小區(qū)段的抗剪承載力要比彎矩較大區(qū)段的抗剪承載力要大。在荷載作用下,彎矩較大區(qū)段上發(fā)生剪切破壞的可能性大于彎矩較小區(qū)段。所以,將上端和下端截面中剪跨比較大的值作為判斷短柱的剪跨比值,是符合要求的。通常而言,位于高層建筑底部基層中框架柱的反彎點(diǎn)都是位于柱上部的,即Mb>Mt。
這個(gè)時(shí)候,對(duì)短柱進(jìn)行判定的時(shí)候,可按照以下公式進(jìn)行,式(1):Hn/h≤2/yn,式中,Hn表示n層柱的凈高。yn表示n層柱的反彎點(diǎn)高度比,按照幾何關(guān)系,可知:yn=1/(1+ψ),其中,ψ=Mt/Mb,0≤ψ≤Hn。如果反彎點(diǎn)出現(xiàn)在柱的中點(diǎn),則有ψ=1,yn=0.5,則式(1):Hn/h≤4;如果反彎點(diǎn)在柱上端,則ψ=0,yn=1,則式(1):Hn/h≤2;如果不存在反彎點(diǎn),則可直接按照最大彎矩作用截面的剪跨比λ=M/Vh≤2進(jìn)行判斷。通常而言,計(jì)算過(guò)程中,可對(duì)反彎點(diǎn)高度比yn按照D值法進(jìn)行確定,然后根據(jù)式(1)計(jì)算對(duì)是否屬于短柱進(jìn)行初步判斷。
2提高短柱延性的措施
2.1使用鋼管混凝土柱
在薄壁圓形鋼管內(nèi)填入混凝土構(gòu)成的結(jié)構(gòu)即為鋼管混凝土。鋼管對(duì)混凝土產(chǎn)生側(cè)向約束力,混凝土處于受壓狀態(tài),混凝土的抗壓強(qiáng)度及極限壓應(yīng)變能力都得到提升,特別是對(duì)高強(qiáng)度混凝土延性的改善效果非常明顯。除此以外,結(jié)構(gòu)中鋼管不但發(fā)揮了橫向箍筋的作用,也發(fā)揮了縱筋的作用,管徑與管壁厚度比值小于90,類似于混凝土配筋率超過(guò)4.6%,明顯超出抗震要求中混凝土配筋率要求。由于此類結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度與抗變形能力非常好,即便是在高軸壓比下,受壓區(qū)都不會(huì)出現(xiàn)先破壞的現(xiàn)象,與鋼柱相比,也不會(huì)出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)情況。所以,為了對(duì)截面轉(zhuǎn)動(dòng)能力進(jìn)行控制,對(duì)軸壓比限值不需要限定。鋼管混凝土單支柱承載力計(jì)算可用公式(2)計(jì)算,式(2):承載力≤Φ1ΦeNθ,式中,θ表示套箍指標(biāo),值域[0.3,3]。根據(jù)式(2),在套箍指標(biāo)選擇合適的情況下,使用高強(qiáng)度混凝土可使柱子的承載力大大提高,且柱截面可大大降低,比普通鋼筋混凝土柱至少降低一半,消除了短柱,抗震性能能夠大大提高。
2.2使用鋼骨混凝土柱
將混凝土外包于鋼骨即可構(gòu)成鋼骨混凝土柱。一半情況下鋼骨的類型包含十字形截面、口字形截面和工字形截面集中,和鋼結(jié)構(gòu)對(duì)比,鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部可能出現(xiàn)屈曲,而鋼護(hù)混凝土柱由于鋼構(gòu)件外部包裹有混凝土,不會(huì)發(fā)生屈曲現(xiàn)象,柱子的整體強(qiáng)度得到了加強(qiáng),鋼材的強(qiáng)度可以有效的發(fā)揮出來(lái)。而且與一般鋼結(jié)構(gòu)柱相比,采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)可降低一半以上的鋼材用量。而與混凝土結(jié)構(gòu)相比,由于鋼骨的存在,使柱子的承載力大大提高,柱的截面積也有效的降低,由于混凝土在鋼骨翼緣及箍筋作用下受到約束,提高了混凝土的延性,柱的延性與耗能能力都得到加強(qiáng)。該結(jié)構(gòu)類型中,對(duì)混凝土與鋼材的優(yōu)勢(shì)都得到了最大限度的發(fā)揮,具有延性好、截面小、自重輕等優(yōu)勢(shì),在高層建筑中的應(yīng)用對(duì)抗震性能可有效的改善。
2.3使用分體柱
對(duì)于短柱而言,其抗彎承載力與抗剪承載力要大很多,所以在地震作用下,抗剪承載力如果受到破壞后,抗彎強(qiáng)度再大也都無(wú)法發(fā)揮出來(lái)。所以,可將短柱的抗彎強(qiáng)度人為性的降低,使其略低于抗剪強(qiáng)度即可,在地震條件下,柱子抗彎強(qiáng)度受到發(fā)揮出現(xiàn),呈現(xiàn)延性破壞作用。為了使抗彎強(qiáng)度降低,在柱中可沿豎向設(shè)置縫隙,將短柱一分為二或四部分,構(gòu)成分體柱,各分體柱均單獨(dú)配筋,在分體柱之間設(shè)置連接縫,使各分體柱的初期剛度增加。相關(guān)研究顯示,分體柱與整體柱相比,抗剪能力基本一致,抗彎承載力降低,這就使柱子的變形能力與延性都得到了提升,由原來(lái)的抗剪型破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢推茐男螒B(tài),也將短柱消除,變?yōu)榉煮w長(zhǎng)柱,對(duì)剪跨比λ≤2時(shí)的抗震性能有效的進(jìn)行了改善。
3結(jié)語(yǔ)
對(duì)短柱進(jìn)行判斷時(shí),采用剪跨比λ≤2作為判斷依據(jù),要將短柱的截面尺寸盡可能的減小,使短柱的承載能力盡可能的提高,對(duì)短柱的延性采用各種方法進(jìn)行提升,有效的提高短柱的抗震性能。在實(shí)踐中,鋼管混凝土、鋼骨混凝土等結(jié)構(gòu)類型,對(duì)短柱的承載能力提升效果非常顯著,而分體柱在改善短柱抗震性能方面效果非常好。在高層建筑中的應(yīng)用,也有效的減少了建筑底部幾層結(jié)構(gòu)中短柱及超短柱的出現(xiàn),避免了因短柱脆性破壞造成的建筑抗震性能下降的問(wèn)題出現(xiàn)。
參考文獻(xiàn):
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