異形柱和短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中-幾個(gè)問題_第1頁(yè)
異形柱和短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中-幾個(gè)問題_第2頁(yè)
異形柱和短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中-幾個(gè)問題_第3頁(yè)
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1、異形柱和短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中-幾個(gè)問題            摘要:對(duì)異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問題,如計(jì)算方法、異形柱受力性能及其軸壓比控制、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層的設(shè)置高度及框支柱等進(jìn)行探討,提出建議,供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。 關(guān)鍵詞:異形柱 短肢剪力墻 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  現(xiàn)代住宅建筑要求大開間,平面及房間布置靈活、方便,室內(nèi)不出現(xiàn)柱楞、不露梁等。異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)能較好地滿足現(xiàn)代住宅建筑的要求,因而逐漸得到了推廣應(yīng)用。目前,現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范或規(guī)程中尚未給出有關(guān)異

2、形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的條款,因此,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中常會(huì)遇到一些規(guī)范或規(guī)程尚未論及的問題,需要設(shè)計(jì)人員積累經(jīng)驗(yàn),利用正確的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文旨在對(duì)異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問題進(jìn)行探討,提出個(gè)人看法,供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。 1 異形柱結(jié)構(gòu)型式及其計(jì)算異形柱結(jié)構(gòu)型式有異形柱框架結(jié)構(gòu)、異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)和異形柱框架核心筒結(jié)構(gòu)。異形柱結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)決定了其受力性能、抗震性能與矩形柱結(jié)構(gòu)不同。由于異形柱截面不對(duì)稱,在水平力作用下產(chǎn)生的雙向偏心受壓給承載力帶來的影響不容忽視。因此,對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)應(yīng)按空間體系考慮,宜優(yōu)先采用具有異形柱單元的計(jì)算程序進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。因異形柱和剪力墻

3、受力不同,所以計(jì)算時(shí)不應(yīng)將異形柱按剪力墻建模計(jì)算。當(dāng)采用不具有異形柱單元的空間分析程序(如TBSA 5.0)計(jì)算異形柱結(jié)構(gòu)時(shí),可按薄壁桿件模型進(jìn)行內(nèi)力分析。對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu),一般宜按剛度等效折算成普通框架進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。當(dāng)剛度相等時(shí),矩形柱比異形柱的截面面積大。一般,比值(A矩A異)約在1.10-1.30之間1。因此,用矩形柱替換后計(jì)算出的軸壓比數(shù)值不能直接應(yīng)用于異形柱,建議用比值(A矩A異)對(duì)軸壓比計(jì)算值加以放大后再用于異形柱。對(duì)有剪力墻(或核心筒)的異形柱結(jié)構(gòu),由于異形柱分擔(dān)的水平剪力很小,由此產(chǎn)生的翹曲應(yīng)力基本可以忽略,為簡(jiǎn)化計(jì)算,可按面積等效或剛度等效折算成普通框架剪力墻(或核心筒

4、)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。按面積等效更能反映異形柱軸壓比的情況,且面積等效計(jì)算更為簡(jiǎn)便。但應(yīng)注意,按面積等效計(jì)算時(shí),須同時(shí)滿足下面兩式:(1)A矩=A異;(2)b/h=(Ix異Iy異)1/2式中,A矩、A異分別為矩形柱和異形柱的截面面積;b、h分別為矩形截面的寬和高;Ix異 、Iy異分別為異形柱截面x、y向的主形心慣性矩。    2007-04-21        一般,按面積等效計(jì)算時(shí),矩形柱的慣性矩比異形柱的小。但對(duì)有剪力墻(或核心筒)的異形柱結(jié)構(gòu),計(jì)算分析表明2,按面積

5、等效與按剛度等效的計(jì)算結(jié)果是接近的。異形柱的截面設(shè)計(jì),可根據(jù)上述方法得出的內(nèi)力,采用適合異形柱截面受力特性的截面計(jì)算方法進(jìn)行配筋計(jì)算。2 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)及其計(jì)算短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是適應(yīng)建筑要求而形成的特殊的剪力墻結(jié)構(gòu)。其計(jì)算模型、配筋方式和構(gòu)造要求均同于普通剪力墻結(jié)構(gòu)。在TAT、TBSA中,只需按剪力墻輸入即可,而且TAT、TBSA更適合用來計(jì)算短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。TAT、TBSA所用的計(jì)算模型都是桿件、薄壁桿件模型,其中梁、柱為普通空間桿件,每端有個(gè)自由度,墻視為薄壁桿件,每端有個(gè)自由度(多一個(gè)截面翹曲角,即扭轉(zhuǎn)角沿縱軸的導(dǎo)數(shù)),考慮了墻單元非平面變形的影響,按矩陣位移法由單元?jiǎng)偠染仃囆纬煽倓偠染仃?/p>

6、,引入樓板平面內(nèi)剛度無限大假定減少部分未知量之后求解,它適用于各種平面布置,未知量少,精度較高。但是,薄壁桿件模型在分析剪力墻較為低寬、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜(如有轉(zhuǎn)換層)時(shí),也存在一些不足,主要是薄壁桿件理論沒有考慮剪切變形的影響,當(dāng)結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜時(shí)變形不協(xié)調(diào)。而短肢剪力墻結(jié)構(gòu)由于肢長(zhǎng)較短(一般為墻厚的-倍),本身較高細(xì),更接近于桿件性能,所以,用TAT、TBSA計(jì)算短肢剪力墻結(jié)構(gòu)能較好地反映結(jié)構(gòu)的受力,精度較高。對(duì)設(shè)有轉(zhuǎn)換層的短肢剪力墻結(jié)構(gòu),一般都只是將電梯間、樓梯間、核心筒和一少部分剪力墻落地,其于剪力墻框支??蛑Ъ袅κ鞘芰γ嫦蚴芰c(diǎn)過渡,由于薄壁桿件的連接處是點(diǎn)連接,所以用薄壁桿件模型不能很好地

7、處理位移的連續(xù)和力的正確傳遞。因此,帶有轉(zhuǎn)換層的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)宜優(yōu)先采用墻元模型軟件(如SATWE)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)然,從整體上的內(nèi)力(特別是下部支承柱的內(nèi)力)分布情況來看,如果將剪力墻加以適當(dāng)?shù)奶幚?,還是可以用TAT、TBSA對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算的3。3 異形柱的受力性能及其軸壓比控制天津大學(xué)的試驗(yàn)研究結(jié)果表明4:異形柱的延性比普通矩形柱的差。軸壓比、高長(zhǎng)比(即柱凈高與截面肢長(zhǎng)之比)是影響異形柱破壞形態(tài)及延性的兩個(gè)重要因素。異形柱由于多肢的存在,其剪力中心與截面形心往往不重合,在受力狀態(tài)下,各肢產(chǎn)生翹曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力。由于剪應(yīng)力,使柱肢混凝土先于普通矩形柱出現(xiàn)裂縫,即產(chǎn)生腹剪裂縫,導(dǎo)致異形柱脆性明

8、顯,使異形柱的變形能力比普通矩形柱降低。作為異形柱延性的保證措施,必須嚴(yán)格控制軸壓比,同時(shí)避免高長(zhǎng)比小于(短柱)??刂浦孛孑S壓比的目的,在于要求柱應(yīng)具有足夠大的截面尺寸,以防止出現(xiàn)小偏壓破壞,提高柱的變形能力,滿足抗震要求。廣東規(guī)程按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ1189)中所規(guī)定的柱子軸壓比降低0.05取用(按截面的實(shí)際面積計(jì)算);天津規(guī)程則根據(jù)箍筋間距與主筋直徑之比、箍筋直徑及抗震等級(jí)共同確定,其要求比廣東規(guī)程嚴(yán)格,例如,對(duì)s/d、(即箍筋間距s100mm,縱筋直徑d分別為20mm、25mm的情況),箍筋直徑dvw”,“一、二級(jí)剪力墻的小墻肢,其軸壓比不宜大于0.6”。根據(jù)上述分析,為便于應(yīng)用

9、,建議在度設(shè)防區(qū),對(duì)于異形柱框架結(jié)構(gòu),L形截面柱的軸壓比不應(yīng)超過0.6(按截面的實(shí)際面積計(jì)算,下同),T形截面柱的的軸壓比不應(yīng)超過0.65,十字形截面柱的軸壓比不應(yīng)超過0.8;對(duì)于異形柱框架剪力墻(或核心筒)結(jié)構(gòu),由于框架是第二道抗震防線,所以框架柱的軸壓比限值可放寬到0.65(L形)、0.70(T形)、0.90(字形),但對(duì)于轉(zhuǎn)換層下的支承柱,其軸壓比仍不應(yīng)超過0.60。    2007-04-21        短柱在壓剪作用下往往發(fā)生脆性的剪切破壞,設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)

10、短柱。根據(jù)高長(zhǎng)比不宜小于,在梁高為600mm的前提下,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.0m時(shí),異形柱的最大肢長(zhǎng)可為600mm;底層層高為4.2m時(shí),肢長(zhǎng)可為900mm。4 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層的設(shè)置高度及框支柱在現(xiàn)代高層住宅的地下室和下部幾層,由于停車和商業(yè)用房需較大空間,就得通過轉(zhuǎn)換層來實(shí)現(xiàn)。在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中,一般都只將電梯間、樓梯間、核心筒和一少部分剪力墻落地,其于剪力墻框支。據(jù)研究表明5,“框支剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí),轉(zhuǎn)換層附近層間位移角及內(nèi)力分布急劇突變,內(nèi)力的傳遞僅靠轉(zhuǎn)換層一層樓板的間接傳力途徑很難實(shí)現(xiàn);轉(zhuǎn)換層下部的框支結(jié)構(gòu)易于開裂和屈服,轉(zhuǎn)換層上部幾層墻體易于破壞。這種結(jié)構(gòu)體系不利于抗

11、震。高烈度區(qū)(度及度以上)不應(yīng)采用;度區(qū)可以采用,但應(yīng)限制轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度,可考慮不宜超過層;度區(qū)可適當(dāng)放寬限制?!币虼?,建議在度抗震設(shè)防區(qū),短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度不宜超過層,避免高位轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換層上下的層剛度比宜接近,不宜超過。轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí),宜同時(shí)控制轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)的等效剛度(即考慮彎曲剪切和軸向變形的綜合剛度),使EgJg與EcJc接近。EgJg為剪力墻結(jié)構(gòu)的等效剛度,剪力墻結(jié)構(gòu)高度取框支層的總高度,其平面和層高與轉(zhuǎn)換層上部的剪力墻結(jié)構(gòu)相同;EcJc為轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)的等效剛度。研究表明5,“控制轉(zhuǎn)換層下部框支結(jié)構(gòu)的等效剛度對(duì)于減少轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角和內(nèi)力突變是十

12、分必要的,效果也很顯著?!币?guī)范對(duì)框支柱的內(nèi)力、軸壓比、配筋等的要求都嚴(yán)于普通柱。框支剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí),如何定義框支柱,涉及到安全與經(jīng)濟(jì)的問題。根據(jù)圣維南原理,局部處理的影響只限于局部范圍,所以當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高(如高位轉(zhuǎn)換)時(shí),除轉(zhuǎn)換層附近樓層的內(nèi)力較復(fù)雜外,下面的結(jié)構(gòu)受到的影響很小,應(yīng)與普通框架結(jié)構(gòu)基本一樣,不必按框支柱處理。文獻(xiàn)計(jì)算了兩個(gè)28層的結(jié)構(gòu),一為內(nèi)筒外框架結(jié)構(gòu),一為內(nèi)筒外框支結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)換層設(shè)在18層。計(jì)算結(jié)果表明,轉(zhuǎn)換層下二層的內(nèi)力影響很大,下三層的內(nèi)力誤差最大為15%,下五層的內(nèi)力已比較接近(最大誤差小于10%),下八層的內(nèi)力已基本一樣(最大誤差小于5%)。這說明框支柱

13、只需在五層范圍內(nèi)加以考慮,其它層的柱子按普通框架柱處理即可。因此,建議當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置不超過五層時(shí),轉(zhuǎn)換層下的各層柱均按框支柱處理;當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置超過五層時(shí),轉(zhuǎn)換層下相鄰的五層柱按框支柱處理,而其它層的柱按普通框架柱處理。由于高位轉(zhuǎn)換對(duì)抗震不利,所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免高位轉(zhuǎn)換。    5 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)及概念設(shè)計(jì)振動(dòng)臺(tái)模擬地震試驗(yàn)結(jié)果表明7,建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng),建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢會(huì)首先開裂;在地震作用下,高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)將以整體彎曲變形為主,底部外圍的小墻肢,截面面積小且承受較大的豎向荷載,破壞嚴(yán)重,尤其“一”字形小墻肢破壞最嚴(yán)重;在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中,由于墻肢剛度相對(duì)減小,使連梁受剪破壞的可能性增加。因此,在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,對(duì)這些薄弱環(huán)節(jié),更應(yīng)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施。例如,短肢剪力墻在平面上分布要力求均勻,使其剛度中心和建筑物質(zhì)心盡量接近,以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng);適當(dāng)增加建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢厚度(宜取250mm,對(duì)底部外圍的小墻肢根據(jù)需要可取用300mm),加強(qiáng)墻肢端部的暗柱配

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