巖土工程師考點：異形柱結構

2017巖土工程師考點：異形柱結構

　　異形柱是異形截面柱的簡稱。這里所謂"異形截面"，是指柱截面的幾何形狀與常用普通的矩形截面相異而言。下面yjbys小編為大家準備了關于異形柱結構的知識點，歡迎閱讀。

　　異形柱結構型式及其計算

　　異形柱結構型式有異形柱框架結構、異形柱框架—剪力墻結構和異形柱框架—核心筒結構。

　　異形柱結構自身的特點決定了其受力性能、抗震性能與矩形柱結構不同。由于異形柱截面不對稱，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。因此，對異形柱結構應按空間體系考慮，宜優先采用具有異形柱單元的計算程序進行內力與位移分析。因異形柱和剪力墻受力不同，所以計算時不應將異形柱按剪力墻建模計算。

　　當采用不具有異形柱單元的空間分析程序(如TBSA 5.0)計算異形柱結構時，可按薄壁桿件模型進行內力分析。

　　對異形柱框架結構，一般宜按剛度等效折算成普通框架進行內力與位移分析。當剛度相等時，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，用矩形柱替換后計算出的軸壓比數值不能直接應用于異形柱，建議用比值(A矩/A異)對軸壓比計算值加以放大后再用于異形柱。

　　對有剪力墻(或核心筒)的異形柱結構，由于異形柱分擔的水平剪力很小，由此產生的翹曲應力基本可以忽略，為簡化計算，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)結構進行內力與位移分析。按面積等效更能反映異形柱軸壓比的情況，且面積等效計算更為簡便。但應注意，按面積等效計算時，須同時滿足下面兩式：

　　A矩=A異;(2)| b/h=(Ix異/Iy異)

　　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。

　　一般，按面積等效計算時，矩形柱的慣性矩比異形柱的小。但對有剪力墻(或核心筒)的異形柱結構，計算分析表明[2]，按面積等效與按剛度等效的計算結果是接近的。

　　異形柱的截面設計，可根據上述方法得出的內力，采用適合異形柱截面受力特性的截面計算方法進行配筋計算。

　　與剪力墻相連的梁稱為連梁。連梁一般具有跨度小，截面大，與連梁相連的墻體剛度又很大等特點。因此，高層建筑在水平力作用下，連梁的內力往往很大。設計時，即使采取了降低連梁內力的各種措施，如：加大剪力墻的洞口寬度;在連梁中部開水平縫，在計算內力和位移時對連梁剛度進行折減，對局部內力過大層的連梁內力進行調整等，仍無法使連梁的截面設計符合要求。由于設計規范對此沒有明確規定，因此，設計時感到無所適叢。而設計、構造不當將會造成結構在抵抗水平力時的強度、剛度不符合要求，進而影響承受豎向荷載的能力。本文將討論高層建筑剪力墻中連梁設計的幾個問題，并提出相應的建議。對于一端與墻相連，一端與框架柱相連的梁，可以看成是連梁的一個特例。

　　剪力墻結構的超長問題

　　1. 混凝土規范9.1.1條規定現澆混凝土剪力墻結構的溫度伸縮縫最大間距當在室內或土中時為45m，露天時為30m;而現澆框架剪力墻或框架核心筒結構的伸縮縫間距可取45~55m.規范的這一規定顯然與現今建筑的體量越來越大但功能又要求不設縫發生矛盾;因此目前許多工程中的伸縮縫間距都突破了規范的規定，也造成了設計人員在設計中遇到超長結構時的膽量越來越大。筆者認為今后當剪力墻結構超長時，應該慎重處理為好，過長時應該盡量設置溫度伸縮縫，宜較嚴格遵守規范規定的限值，理由如下：

　�、�. 剪力墻結構剛度大，受溫差影響大，混凝土的收縮、徐變產生的變形大，墻體對樓面、屋面產生的約束也大;當結構發生收縮變形時比其他結構易出現裂縫。一些未超長的剪力墻結構產生墻體或樓面裂縫，其主要原因就在此。

　　②. 剪力墻結構多用于商品住房和公寓，使用狀況復雜，一旦私人購買的房子出現裂縫，雖然沒有安全問題，但處理起來問題多，難度大，社會影響大。

　　③. 混凝土結構受溫度或收縮徐變的影響與眾多因素有關;而體型龐大的剪力墻房屋往往形狀復雜，混凝土收縮大，約束應力積聚也大，施工工藝及管理也難控制，環境影響使用變化難于判斷，因此更難于解決混凝土收縮變形時，在受約束條件下引起拉應力而保證不出現裂縫。

　�、�. 目前混凝土的收縮量不斷增大，已由80年代的一般收縮量300με上升到400με以上，因此使混凝土用量大的剪力墻產生裂縫的因素在增大。

　�、�. 目前隨著市場形勢的變化，大部分工程要趕工加班，質量難保證，為趕工混凝土中水泥用量普遍增大，使混凝土收縮量增大，加上由于混凝土強度的提高，使彈性模量增加將引起更大的約束拉應力產生，使結構出現裂縫的因素增多。

　�、�. 普遍使用商品混凝土泵送施工，為了泵送，增大水泥用量，減少了中粗骨料含量和骨料粒徑，加上泵送混凝土配合比和施工送料時的不良因素影響等都加大了結構收縮量，增加產生裂縫的因素。

　　綜上所述，今后在處理超長結構時，特別是處理超長的剪力墻結構時要特別慎重;當發生實在由于建筑使用功能要求不允許超長建筑設永久縫時，建議采用對結構施加預應力的方法并結合采用設計構造措施、施工措施共同給予處理。

　　聯肢墻在水平力作用下的破壞機制

　　高層建筑聯肢墻在水平力作用下的破壞分為脆性破壞(即剪切破壞)和延性破壞(即彎曲破壞)兩種。聯肢墻的脆性破壞又可分為兩種情況。一種是脆性破壞發生于墻肢。墻肢由于抗剪能力不夠而發生剪切破壞，會使剪力墻很快喪失承載能力。造成結構的突然倒塌。這是設計所應該絕對避免的�？拐鹨幏独镆幎�了抗震墻截面的剪壓比限值和抗震等級為一、二級時抗震墻底部加強部位剪力設計值的放大系數，就是為了防止剪力墻早于彎曲破壞而發生剪切破壞。脆性破壞的第二種情況是連梁發生剪切破壞。連梁發生剪切破壞會使聯肢墻各墻肢喪失連梁對墻肢的約束作用。在沿墻全高所有連梁均發生剪切破壞時，聯肢墻的各墻肢將成為單片的獨立墻，這會使結構的側向剛度大大降低，墻肢彎矩j加大�？拐鹨幏独镆幎�了連梁截面的剪壓比限值和抗震等級為一、二級時連梁端部剪力設計值的調整系數，也是為了防止連梁早于彎曲破壞發生剪切破壞。但是，和第一種墻肢發生剪切破壞相比，連梁發生剪切破壞時結構尚未喪失承載能力，在墻肢破壞前，只要所考慮的連梁不承擔較大的豎向荷載，還不會造成結構的倒塌。

　　剪力墻的延性破壞也可分為兩種情況。一種是連梁不屈服，墻肢首先發生彎曲破壞，這種墻在破壞時的極限變形較小。因此，對有抗震設防要求的建筑來說，它雖然是一種延性破壞，但吸收地震能量的能力是較低的。設計中應避免這種情況的發生。延性破壞的第二種是連梁先屈服，最后是墻肢的屈服。當連梁有足夠的延性時，它能通過塑性鉸的變形吸收大量的地震能量。同時，通過塑性鉸仍能繼續傳遞彎矩和剪力，對墻肢起到一定的約束作用，使聯肢墻保持足夠的剛度和強度。這是設計時應首先考慮做到的。為了保證聯肢墻的延性要求，對連梁的延性要求是非常高的。因此，在設計高層建筑剪力墻時，必須十分注意保證連梁的延性要求。

　　以上主要從抗震的角度分析了聯肢墻的破壞機制。對于非抗震的情況，水平作用力主要是風荷載。風荷載是一種實實在在的荷載，不能通過結構的塑性變形來減少風荷載。但可以通過結構的塑性變形將荷載分布到其他尚未屈服的構件。通過內力重分布提高結構的整體承載能力，避免由于個別構件的破壞造成整個結構喪失承載能力。因此，以上關于聯肢墻破壞機制的討論在非抗震設計中是同樣有意義的。

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