混凝土异形柱结构特点及其应用分析.pdf

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 - ) ,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。 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,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,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性能的研究也需要加强。例如,钢骨与混凝土之间的粘结- 滑移本构关系的研究就需要进一步的深化 21 。 4 异形柱结构的工程应用 目前,异形柱结构在全国得到了推广应用,2004年仅南宁市异形柱框架结构总建设规模近30万m 21 异 形柱的应用也取得了较好的效果,2001年开工建设的广西第一个康居示范工程项目 翡翠园小区采用了 异形柱结构,与普通柱结构相比较在增加建筑有效使用面积约3 %的情况下,节约造价约3 % ,其中节约钢材 用量约6 %8 % ,节约水泥用量约2 %1 因此异形柱结构可在一定程度上减少能耗,符合现代建筑设计的理 念,并能取得较好的经济和社会效益。在应用过程中,异形柱结构的理论体系与施工技术也在不断得到充实 和发展。通过采用预应力,可以使异形柱框架结构具有更多的优越性 22 。在实际工程中通过在异形柱框架 26广西工学院学报 第18卷 中合理布置剪力墙,可极大改善结构的工作性能,如沿建筑高度金字塔形的剪力墙布置 23 ,既保证了结构刚 度,又降低了造价,同时也提高了空间布置的灵活性,因此这种方案可以作为中高层异形柱框剪结构体系的 优选方案。除了广泛应用于住宅建筑外,异形柱结构还可以与其他结构形式如索膜结构相结合,应用于大型 体育馆等建筑 24 。由于型钢混凝土结构特有的抗震性能以及在小高层应用中的性能优势 25 ,钢骨异形柱组 合结构在工程实践中也将得到更广泛的应用。 当然异形柱结构在使用中也存在一些需要克服的问题,如柱肢较长时会影响门窗洞口的布置位置,对空 间的灵活布置会有一定影响;梁宽度受到柱肢尺寸的限制,影响了梁的适用跨度,如果梁宽大于柱肢宽度,则 又会产生突露棱角的问题;梁柱节点处面积通常较小并且钢筋交汇在一起,增加了施工难度;异形柱结构模 板支设的工程量相对较大等等。通过比较可以看出,异形柱结构存在的这些问题与其优点相比较可以认为 是次要的。 5 结语 综上所述,异形柱的设计计算原理并不复杂,施工技术正逐步完善,其应用有着广阔的前景;但在一些领 域仍需作大量的研究。随着异形柱结构研究的深入,以及国家统一设计规程 混凝土异形柱结构技术规程 (JG J149 - 2006)的实施,异形柱结构将得到更广泛的应用。 参 考 文 献: 1曹万林,樊 太,张维斌,等 1 异形截面钢骨混凝土柱抗震性能试验研究J 1 世界地震工程,2004 ,20(2) : 64 - 681 2戎 贤,梁 艳,王铁成,等 1 钢筋混凝土异形柱框架结构抗震性能试验研究J 1 自然灾害学报,2006 ,15(3) :135 - 1381 3张 晋,潘小华,殷勇才,等 1 钢筋混凝土异形柱轴压比限值探讨J 1 工程力学(增刊) ,20011350 - 3541 4杨 溥,唐 剑,陈名弟,等 1 钢筋砼异形柱在不同加载方向的受力性能分析J 1 重庆大学学报,2005 ,28(8) :117 - 1211 5王依群,许贻懂 1 钢筋混凝土异形柱的轴压比限值与配箍构造J 1 天津大学学报,2006 ,39(3) :295 - 3001 6黄雅捷,梁兴文 1 钢筋混凝土异形柱框架结构侧向刚度分析J 1 世界地震工程,2003 ,19(3) :134 - 1381 7曹万林,王光远 1 轻质填充墙异形柱框架结构层刚度及其衰减过程的研究J 1 建筑结构学报,1995 ,16(5) :20 - 311 8黄 靓,施楚贤,熊 辉 1 带砌体填充墙结构在地震作用下的安全性质疑J 1 建筑结构,2005 ,35(3) :57 - 601 9钱稼茹 1 异形柱用于8度抗震设防建筑研究J 1 工业建筑,2004 ,34(2) :28 - 321 10李 杰,肖建庄 1 钢筋混凝土异型柱结构振动台试验研究J 1 土木工程学报,2002 ,35(3) :8 - 121 11李晓轩,严士超 1 钢筋混凝土T形柱斜撑框架抗震性能试验研究J 1 建筑结构,2001 ,31(1) :19 - 221 12郑汉兵,曹万林 1 底部矩形柱上部异形柱边框架抗震研究J 1 世界地震工程,2002 ,18(4) :06 - 1101 13王文进,薛 敬,王依群,等 1 异形柱框架顶层角节点试验研究J 1 工程力学(增刊) ,20031430 - 4331 14曹万林,胡国振 1 钢筋混凝土带暗柱异形柱抗震性能试验及分析J 1 建筑结构学报,2002 ,23(1) :16 - 201 15曹万林,徐金荣 1 钢筋混凝土异形柱框架结构抗震设计的若干措施J 1 世界地震工程, 2002 ,18(1) :62 - 651 16李凤兰,黄承逵 1 低周反复荷载下钢纤维高强混凝土柱延性试验研究J 1 工程力学,2005 ,22(6) :159 - 1641 17樊 太,曹万林,张维斌 1 钢骨混凝土异形柱正截面承载力及延性计算分析J 1 世界地震工程,2004 ,20(1) :133 - 1371 18陈宗平,张喜德,苏益声,等 1 型钢混凝土异形柱正截面承载力的理论研究J 1 西安建筑科技大学学报(自然科学版 ) , 2005 ,37(3) :345 - 3491 19苏益声,胡飞鹏,杨德磊 1 钢骨混凝土异形柱正截面承载力影响因素探讨J 1 广西大学学报(自然科学版) ,2005 ,30(4) : 272 - 2741 20高兑现,柯 江,王莲花 1 异形柱框架结构抗震性能分析J 1 西安理工大学学报,2005 ,21(3) :285 - 2881 21董宇光,吕西林,杨小川 1 钢骨与混凝土之间粘结-滑移性能研究进展J 1 结构工程师,2005 ,21(3) :83 - 871 22曹云中,章成浦 1 预应力混凝土异形柱框架结构的性能及设计J 1 建筑技术开发,2004 ,31(5) :17 - 191 23韦天琴,田宣政,刘海成 1 谈中高层异形柱框剪结构剪力墙的竖向设置J 1 山西建筑,2005 ,31(1) :24 - 251 24张荣灿,陈兴标,刘有才,等 1 大型体育馆建筑斜向异形劲性框架柱的施工技术J 1 建筑施工,2004 ,26(5) :392 - 3951 25杨 勇 1 核芯型钢混凝土(CSRC)结构应用前景及抗震性能分析J 1 工程抗震与加固改造,2005 ,27(5) :5 - 111 (下转第75页) 36 第1期 张喜德等:混凝土异形柱结构特点及其应用分析 拟分析结果表明,地下水位上升,土层内部应力值出现增长,而且增幅较大,同时等应力域出现贯通;另外分 析得出土层地下水上升后土层中点的孔隙水压变化情况和点的沉降,这为基坑灾变演化提供了直观的分析。 参 考 文 献: 1 G B50021 - 2001 ,岩土工程勘察规范S1 2吴林高 1 工程降水设计施工与基坑渗透理论M1 北京:人民交通出版社,20031 3刘 波 1FLAC原理、 实例与应用指南M1 北京:人民交通出版社,20051 The simulation of the foundation stability by FLAC under the change of subsoil water level DENGLi2liu 1 ,ZENG Xian2bin 2 (1.Liuzhou Reconnaissance and Mapping Institute ,Liuzhou 545006 , China ; 2.Department of Civil Engineering , Guilin University of Technology , Guilin 541004 , China) Abstract:The change of the subsoil water level may result in the mechanics change of the soil mass and the failure of the foundation. Therefore it is significant for the stability of the foundation. A case of the subsoil water change in a deep foundation project was studied , which resulted in the sewage conduit distortion and failure. Based on the monitoring data of the subsoil water level and the property of the soil , the simulation of the foundation failure was conducted by FLAC. And the results can give reference for the projects. Key words:change of subsoil water level ;foundation failure ;FLAC (责任编辑 李 捷) (上接第63页) Research on RC special2shaped column structure characteristics and application ZHANG Xi2de ,Y ANG Tao ,XU Wei2jun ,LI Dong2chao (School of Civil and Architectural Engineering , Guangxi University , Nanning 530004 ,China) Abstract:Based on the study of some aspects of RC special2shaped column structure such as the principle of calculation and design , the rigidity and ductility , the working performance against earthquake , and the present research on the spe2 cial2shaped column structure with concealed columns and new SRC special2shaped column structure , the article pointsout that the special2shaped column structure has good working performance and application prospect. With further research , special2shaped column structure will be widely used in the industrial and civil buildings. Key words:concrete ;special2shaped column;steel special2shaped column (责任编辑 李 捷) 57 第1期 邓丽等:地下水位变化与基坑稳定性的FLAC模拟分析