異形柱技術總結

2021-03-04 09:52:03 字數 3444 閱讀 9892

去年年底做了乙個異形柱結構的檢測鑑定,雖然之前很少接觸異形柱,但經過這個工程後,還是學到了不少有關異形柱方面的知識和技術。

一、異形柱的基本概念

現代住宅建築要求大開間,平面及房間布置靈活、方便,室內不出現柱楞、不露梁等。異形柱與短肢剪力牆結構能較好地滿足現代住宅建築的要求,因而逐漸得到了推廣應用。

我們先來了解異形柱的定義。《混凝土異形柱結構技術規程》(jgj1 49—200 6)對異形柱的定義是:截面幾何形狀為l形、t形和十字形,且截面各肢的肢高肢厚比不大於4的柱。

規程中目前僅列入了l形、t形和十字形三種介面形式的異形柱,因為對此三種截面積累的工程經驗較多。未列入的還有一字形,z字形等。一形柱和z形柱截面類似,即兩個主軸方向抗彎能力相差甚大。

目前,此兩種型別的柱尚未列入規程中,以後經過大量的試驗研究後,應該也會經入規程的控制。下圖為幾種異形柱及其鋼筋配置:

異形柱各肢肢長可能相等,也可能不等。我們在抗震設計時宜採用等肢異形柱,當不得不採用不等肢異形柱時,兩肢的肢高比不宜超過1.6,且肢後差不大於50mm(詳見《規程》條文說明第6.

1.4條)。柱截面肢高肢厚比是指異形柱柱肢截面高度與厚度的比值,柱的肢高肢厚比不同時,柱的效能也會有不同的差異。

規程規定肢高肢厚比不大於4,試驗表明,在此情況下,異形柱在偏心受壓狀態下的應變基本符合平截面假定。

二、異形柱與矩形柱的限值對比

異形柱和矩形柱相比,在設計中差異時比較明顯的,我們來看看這些差異:

1. 當建築物構形式相同且所處地域的抗震烈度相同時,異形柱的最大適用高度要明顯低於矩形柱的最大適用高度,詳見下表:

矩形柱:

異形柱:

2. 在風荷載、多遇**作用下,異形柱結構的彈性層間位移角限值比起相同結構型別的矩形柱要嚴格一些,詳見下表:

異形柱:

矩形柱:

3. 在罕遇**作用下,異形柱結構的彈塑性層間位移角限值比起相同結構型別的矩形柱要嚴格一些,詳見下表:

異形柱:

矩形柱:

4. 在相同結構形式及相同抗震等級條件下,異形柱的軸壓比限值要明顯嚴於同種結構型別的矩形柱,詳見下表:

異形柱:

矩形柱:

5. 界定「扭轉不規則型別」的控制點更嚴,抗規規定當結構的扭轉位移比大於1.45時可界定為扭轉不規則結構,而異規界定1.2。

三、異形柱與矩形柱的受力特性比較

(一) 異形柱的受力特性及抗震效能與矩形柱有著本質尚的差別。由於異形柱截面不對稱,在水平力作用下產生的雙向偏心受壓給承載力帶來的影響不容忽視。由於截面的特殊性,使得牆肢平面內外兩個方向剛度對比相差較大,導致各向剛度不一致,其各向承載能力也有較大差異。

(二) 異形正截面的計算(雙向壓彎構件)比矩形柱截面要複雜。因在雙向壓彎條件下,截面的中和軸一般不垂直於彎矩作用平面,也不與截面邊緣相平行,它的位置隨著截面尺寸、混凝土強度、配筋及荷載的大小形式等多種因素的變化而變化。對於l型及t型截面構件,即使在同一軸力下,截面的抗彎能力也會隨著彎矩作用角的變化而大相徑庭,相比之下,矩形柱在此方面的差異要明顯小於異形柱。

研究發現,t型柱的正截面總體承載力要高於矩形柱及l型柱。

(三) 異形柱的斜截面受剪破壞呈脆性,其粘結破壞特性較矩形柱更為明顯,抗震設計時,仍應遵循強剪弱彎的設計原則,研究表明,當異形柱兩肢肢高相近時,其受剪承載力的大小服從梅花瓣形規律,當兩肢肢高相差較大時,則服從橢圓規律。

(四) 異形柱由於是多肢的,其剪下中心往往在平面範圍之外,受力時要靠各柱肢交點處核心砼協調制形和內力,這種變形協調使各柱肢內存在相當大的翹曲應力和剪應力,而該剪應力的存在,使柱肢易先出現裂縫,也使得各肢的核心砼處於三向剪力狀態,它使得異形柱較普通截面柱變形能力低,脆性破壞明顯:

四、異形柱中的幾個關鍵點

a. 節點

節點,也即梁柱的交匯點。其作用是將所屬的本層和上層荷載有效的傳遞給下層柱,因此節點核心區的作用力與節點相連線的樑端和柱端彎矩、軸力、剪力及扭矩等,受力是很複雜的。試驗表明,在相同條件下,節點水平截面面積相等的l形、t形及+形截面柱的節點受剪承載力比矩形截面柱的受剪承載力分別低33%、18%和8%左右,且異形柱框架節點核心區發生斜壓破壞的上柱底部軸壓比較矩形柱低。

異形柱中最薄弱的兩個環節即節點的受剪承載力及柱的延性,因此不論是抗震設計還是非抗震設計,我們都應進行節點受剪承載力驗算。

b. 剪跨比

剪跨比是決定異形柱截面特性的主要因素,當剪跨比較大時,截面正應變分布符合平截面假定,隨著剪跨比的減小應變分布向曲面方向發展,異形柱的受力效能越來越接近短肢剪力牆。

通常將異形柱分為長柱(λ>2)、短柱(λ<2)和極短柱(λ<1.5)。一般情況下,長柱長發生正截面破壞,而短柱和極短柱則多出現斜截面受剪破壞。

異形斜截面受剪破壞時,粘結破壞較矩形柱顯著,且此種破壞呈脆性,對結構很不利,故設計時不宜小於2,不應小於1.5。此規定相當於異形柱的淨高與柱肢截面之比不宜小於4,抗震設計時不應小於3。

例如某建築物標準層層高3300mm,樑高500mm,則異形柱最大為700mm。

c. 軸壓比

軸壓比是異形柱延性的重要保證措施,柱應具有足夠大的尺寸,以防止小偏壓破壞,提高柱的變形能力。

在高軸壓比情況下.增加箍筋用量對提高柱的延性作用已很小,因而軸壓比大小的控制對柱的延性影響至關重要.特別是異形柱結構剪力中心與截面形心不重合,剪應力使砼柱肢先於普通矩形壓剪構件出現裂縫.產生腹剪破壞,加上異形柱多屬短柱.這些導致異形柱脆性明顯.使異形柱的延性普遍低於矩形柱。因而對異形柱的軸壓比要嚴格控制。

廣東《鋼筋混凝土異形柱設計規範》(dbj/t15-15-95)按建築抗震設計規範(gbj11-89)中所規定的柱子軸壓比降低0.05取用;天津《混凝土異形柱結構技術規程》(jgj149-2006)則根據箍筋間距與主筋直徑之比、箍筋直徑及抗震等級共同確定,其要求比廣東《規程》嚴格(天津規程異形柱軸壓比限值見前面第三頁)。

五、異形柱和短肢剪力牆

對於柱、異形柱、短肢剪力牆和剪力牆等豎向構件,從截面構造上劃分,比較統一的認識是:設肢截面高為h,寬為b,當矩形截面1≤h/b≤3且h.b≥300mm時為柱;當異型截面3在實際工作中,所布置的往往不全是異形柱,其中經常會混合採用一字柱或一些牆肢相對較長(肢厚比超限)的剪力牆等等。在計算模輸入時,如果把異形柱按短肢剪力牆輸入,甚至將異形柱框架結構全部按短肢剪力牆輸入,那樣勢必造成很大的計算誤差,進而影響結構、構件的安全。

因此,在程式整體計算模型輸入時,一定要特別留意。

六、異形柱用pkpm建模鑑定過程中應注意的問題

a) 在pmcad上定義l、t、+字形柱時,應用裡面的「十字形」截面定義,並且應把截面相同而轉角不同的柱定義成幾個不同的截面。不宜採用轉角的方式。

b) 由於異形柱的柱肢較長,梁柱重疊部分大,在計算時應選擇「梁柱重疊部分作為剛域」。

c) 混凝土異形柱的計算宜選用雙偏壓計算。

d) 對於肢長與肢寬之比不大於4的異形柱,由於它已接近柱的特徵,應按異形柱形式輸入。對於肢長與肢寬之比大於4但不超過5的短肢剪力牆,可以按兩者分別計算取計算結果的較大值。

e) z型柱可按兩個l型柱輸入。

七、結語

異形柱結構尚處於發展階段,我們平常的設計及鑑定工作中應善於分析和發現問題,如此既能增強我們的技術水平,又能開拓市場,何樂而不為呢?

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