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所屬欄目:建筑設計論文 發布日期:2011-08-11 08:00 熱度:
摘要:高層建筑隨著城市化的發展越來越多樣化,而出現的問題也更加復雜。高層建筑結構承重柱截面尺寸通常由軸壓比限值選定,容易形成短柱,工程設計中應予以避免。文中介紹了高層建筑結構承重柱的種類、軸壓比值、改善短柱的抗震性能及合理化建議。
關鍵詞:高層建筑;結構;承重柱;分析;對策
一、高層建筑結構承重柱的種類
1、鋼與混凝土結構的互補性充分發揮了他的優勢,它的主要類型如下:
(1) 箍筋約束混凝土柱。根據配筋構造形式的不同,可分為普通箍、井字箍、井字復合箍、復合螺旋箍、連續復合矩形箍柱。箍筋約束混凝土柱的受力機理是利用復合鋼箍或螺旋鋼箍約束核心混凝土受壓時的橫向應變,使核心混凝土處于三向受壓狀態,從而提高混凝土強度,增加延性。這種類型柱在設計使用時,柱截面需做成圓形,適用性和靈活性差;采用焊接鋼箍時,焊接麻煩,用鋼量大,同時,鋼箍約束核心混凝土橫向應變有限,柱承載力提高和延性能的改進也是有限的。
(2) 鋼纖維混凝土柱。鋼纖維混凝土是一種由水泥、粗細集料和隨機分布的短纖維組合而成的復合材料。由于鋼纖維阻滯基體混凝土裂縫的擴展,使其各項物理力學性能都比普通混凝土有明顯的提高和改善。試驗研究表明,隨著鋼纖維含量提高,混凝土極限壓應變明顯增大。在其他各項條件基本相同的情況下,摻入適量鋼纖維能夠明顯提高構件的延性。
(3) 鋼管混凝土柱。根據裁面形式不同,可分為方鋼管混凝土柱、圓鋼管混凝土柱和多邊形鋼管混凝土柱。鋼管混凝土是將混凝土注入封閉的薄壁鋼管內形成的一種組合結構材料,它利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互制約,使其具備了優異的工作性能:承載力高、塑性和韌性好、經濟效果好。采用鋼管混凝土結構替代鋼結構柱,可節約鋼材50%左右;若替代鋼筋混凝土柱,則在用鋼量大體相同的情況下可減小柱截面面積50%左右。相應節約大量混凝土。
(4) 鋼骨混凝土柱。該類型柱是指在鋼筋混凝土柱中配置鋼骨,同時配有構造鋼筋及少量受力鋼筋。配置鋼骨的形式可分為實腹式和空腹式。不同形式的鋼骨混凝土柱截面形式不同。鋼骨混凝土柱不受最大配筋率限制,混凝土中配置較多的鋼材,能有效地減少柱截面尺寸,滿足建筑功能要求。同時,鋼骨可以承擔施工荷載,可作為施工荷載的承力系統。
(5) 分體柱。該類型柱是將鋼筋混凝土短柱采用隔板將一個整截面柱分成2個或4個等截面小柱。各小柱獨立配筋,梁柱節點仍為一個整體。試驗研究表明,對鋼筋混凝土短柱采用分體柱的方法可以實現變“短柱”為“長柱”的設想,框架柱破壞形態由剪切型轉變為彎曲型,延性明顯提高,但柱承載力略有下降,因此柱截面尺寸不僅沒有減小,反而略有增大。
(6) 高強混凝土柱。高強混凝土是指混凝土強度等級為C50-C80的混凝土。由于其抗壓強度高,使鋼筋混凝土柱的承載力大幅度增加,在相同的荷載下可減小構件的截面尺寸,增大使用空間,避免短柱出現。應用較高強度等級混凝土時,需考慮施工條件的可行性。
二、高層建筑結構承重柱的軸壓比限值
(1) 柱中軸壓比是影響延性的主要因素之一,而影響混凝土柱延性的主要原因在于混凝土部分所分擔的軸壓力。確定一個合適的軸壓比限值,以使混凝土柱的抗震延性得到滿足,十分重要。同時軸壓比是影響承重柱的破壞形態和變形能力的重要因素。《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)為了保證鋼筋混凝土柱具有足夠的延性,對柱的軸壓比限值做出了規定,希望框架發生大偏心受壓破壞,保證框架柱在地震作用下發生大變形時具有較好的延性,從而保證框架結構有足夠的變形能力。實現框架大震不倒的抗震設計目標。表1是建筑抗震設計規范對鋼筋混凝土柱軸壓比的限值。
表1鋼筋混凝土柱軸壓比的限值
對于箍筋約束混凝土柱,采用井字復合箍、復合螺旋箍、連續復合矩形箍鋼筋混凝土柱,軸壓比限值可增加0.10,但應保證最低配箍率的要求。
(2)高強混凝土柱材料的性能
A、 在材料的性能上,高強混凝土延性比普通混凝土延性差,在外荷作用下容易發生脆性破壞,但通過適當的配筋構造措施,用高強混凝土制作的構件延性同樣可以滿足設計要求,因此,其軸壓比限值可不降低。
B、 鋼纖維混凝土柱的性能。與普通混凝土類似,存在大偏心受壓破壞和小偏心受壓破壞兩種破壞形態。當鋼纖維摻入量在1%-2%范圍內,鋼纖維混凝土抗壓強度提高幅度較小。參照鋼筋混凝土框架柱軸壓比限值理論分析,鋼纖維混凝土柱軸壓比限值可略有提高。
C、 鋼管混凝土柱的性能。基于鋼管混凝土壓彎構件的水平力和位移恢復力特性的理論分析結果,鋼管混凝土構件用于高層建筑中時,可采取限制長細比的辦法,不必限定軸壓比。
D、 鋼骨混凝土柱的性能,相關研究根據鋼骨混凝土柱正截面承載力和低周期反復水平力作用下的靜力試驗結果,從鋼骨混凝土柱界限破壞時內力的平衡條件出發,推導出軸壓比的理論計算公式,經簡化后提出了實用計算公式。計算表明,鋼骨混凝土柱的軸壓比限值一般比鋼筋混凝土柱的軸壓比限值高25%-50%。
E、 分體柱的性能。由于“短柱”變為“長柱”,實現了框架柱的破壞形態的轉變,因此,其軸壓比不應受到限制。
三、改善短柱抗震性能的對策
改進配筋構造型式,加強核心混凝土有效約束,如配置螺旋箍筋、復式箍筋、斜向交叉配筋等。(1)提高構件承載力,減小軸壓比,如鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土柱和高強混凝土柱等;(2)改進材料性能,提高混凝土變形能力,如鋼纖維混凝土柱等;(3)采用分體柱,變短柱為長柱。
四、高層建筑結構承重柱的造型與合理化建議
(1) 在工程實際應用中,經常選用的型鋼、鋼管、高強混凝土組合而成的復合柱、如型鋼高強混凝土柱、鋼管高強混凝土柱、雙層鋼管混凝土柱、充滿型型鋼混凝土柱等。
(2) 承重柱選型時,應視柱軸力大小,根據施工技術和經濟指標綜合確定。選用箍筋約束混凝土柱、鋼纖維混凝土柱和分體柱能有效地改善承重柱的抗震性能;選用高強混凝土柱、鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱是承重柱截面尺寸減肥的有效方法。
(3) 不同類型的承重柱軸壓比限值選定不宜過高,也不宜過低。如果軸壓比限值過高,在高軸壓比情況下,在水平荷載施加之前,柱已產生較大的預壓應變,預壓應變降低截面的塑性轉動能力,使構件的延性變差。如果軸壓比限值過低,柱截面尺寸過大,可能柱變為短柱,反而降低了構件的延性。因此,在滿足構件有限延性的基礎上,選定合適的軸壓比限值,使構件能獲得較大的水平抗力。
文章標題:談高層建筑結構承重柱設計問題
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