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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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