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異形鋼結構設計特點與注意事項
瀏覽: 發布日期:2018-02-22
  異形鋼結構設計特點與注意事項
  
  異形鋼結構體系是指采用輕質填充墻及隔墻的現澆鋼筋混凝土異形柱框架及異形柱框架-剪力墻結構體系。柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-4,相對于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻,常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。
  
  一、異形鋼結構特點
  
  1、由于截面的這種特殊性,使得墻肢平面內外兩個方向剛度對比相差較大,導致各向剛度不一致,其各向承載能力也有較大差異;
  
  2、對于長柱(H/h>4)可以不考慮剪切變形的影響,控制軸壓比較小時,受力明確,變形能力較好。而對短柱(H/h<4),剪切變形占有相當比例,構件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍,且屬薄壁構件,即使發生延性的彎曲形破壞,也因截面曲率M/EI或εcu/χ(εcu為砼的極限壓應變,χ為截面受壓區高度)較小,使彎曲變形性能有限,延性較差;
  異形鋼結構設計圖
  3、異形柱由于是多肢的,其剪切中心往往在平面范圍之外,受力時要靠各柱肢交點處核心砼協調變形和內力,這種變形協調使各柱肢內存在相當大的翹曲應力和剪應力,而該剪應力的存在,使柱肢易先出現裂縫,也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態,它使得異形柱較普通截面柱變形能力低,脆性破壞明顯;
  
  4、特別是異形柱不同于矩形柱,它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況,其延性更差。由國內外大量的試驗資料和理論分析[2],異形柱的破壞形態為:彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等,影響其破壞形態的因素有:荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長比(剪跨比),配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由于其受力性能的復雜,設計中必須通過可靠的計算和必要的構造措施來保證其強度和延性。
  
  二、異形鋼結構適用條件
  
  1、居住建筑(住宅及宿舍);
  
  2、抗震設防烈度為7度(0.10g及0.15g)和8度(0.20g,I、II、III類場地);
  
  3、柱網尺寸不宜大于6.6m;
  
  4、房屋總高度的限制。
  
  三、異形鋼結構的平面布置:
  
  1、在異形鋼結構的一個獨立結構單元內,宜使結構平面形狀簡單、規則,剛度和承載力分布均勻。
  
  2、結構平面布置應減小扭轉效應的不利影響。在考慮偶然偏心影響的地震作用下,樓層豎向構件的很大水平位移和層間位移分別不宜大于該樓層兩端相應平均值的1.2倍,不應大于該樓層兩端相應平均值的1.4倍。結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比不應大于0.85。
  
  3、異形柱框架結構和異形柱框架-剪力墻結構均應設計成雙向抗側力結構體系。
  
  4、異形鋼結構的框架縱橫柱網軸線宜對齊拉通;異形柱肢截面厚度中線與梁及剪力墻中線宜對齊重合。
  
  5、異形鋼結構不應用于單跨框架結構。
  
  四、異形鋼結構的豎向布置:
  
  1、結構豎向抗側力構件宜上下連續貫通。
  
  2、異形鋼結構的側向剛度沿豎向宜均勻分布,樓層側向剛度不宜小于相鄰上部樓層側向剛度的75%,或其上相鄰三層剛度平均值的85%。
  
  3、樓層抗側力結構的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的85%,不應小于其上一層受剪承載力的70%。
  
  4、異形柱框架不應采用樓層錯層的設計方案。
  
  5、異形柱不宜在樓層半層處單面設置挑梁。
  
  五、異形鋼結構應按下列原則考慮地震作用:
  
  1、抗側力結構正交布置時,應允許在結構兩個主軸方向分別考慮水平地震作用。
  
  2、有斜交抗側力構件的結構,當相交角度大于15度時,應分別計算各抗側力構件方向的水平地震作用。
  
  3、質量與剛度明顯不對稱、不均勻的結構,應計入雙向水平地震作用下的扭轉影響;其他情況,應允許采用調整地震作用效應的方法計入扭轉影響。
  
  六、異形鋼結構應根據不同情況,分別采用下列地震作用計算方法:
  
  1、異形鋼結構宜采用振型分解反應譜法,當質量和剛度不對稱、不均勻時應采用考慮扭轉耦聯振動影響的振型分解反應譜法。
  
  2、高度不超過40m,以剪切變形為豬,且質量與剛度沿高度分布較均勻的異形鋼結構,可采用底部剪力法。
  
  七、異形鋼結構構造做法:
  
  1、異形柱截面各肢肢高與肢厚之比不應大于4,且肢厚不應小于200mm,肢高不應小于500mm。
  
  2、框架梁截面高度Hb可按(1/10~1/15)L b確定(Lb為計算跨度),且不應小于 400mm.梁的截面寬度Bb不宜小于1/4Hb及200mm。
  
  3、異形柱的混凝土強度等級不小于C25和不大于C50,這是由于異形柱截面尺寸薄,混凝土強度等級小于C25的話可能達不到其與鋼筋之間保證粘結的要求。強度等級為C50以上的異形柱構件及結構科學研究相對較少,還不足以行成編制規程條文的基礎,所以這次規程未列入。
  
  4、異形柱截面上受力縱筋的位置如下圖所示。試驗和模擬計算表明這些位置上的縱筋均發揮大的作用,特別是當軸壓較大時處于各肢內折角處的縱筋的作用不容忽視,一定要作為受力筋處理。
  
  5、異形鋼結構框架梁截面高度抗震設計時不應小于400mm
  
  八、異形鋼結構設計時應注意的問題:
  
  1、異形框架的計算
  
  由于其截面的特殊性,在柱截面對稱軸內受水平力作用時,彈性分析計算其翹曲應力很小,此時如同承受水平力的偏壓構件,仍可按平截面假定分析,按砼設計規范計算,特別是在框——剪,框——筒結構中,對6度及其以下烈度區的Ⅰ、Ⅱ類場地,框架柱只承擔水平風載的一小部分,如按一般偏壓柱計算,誤差較小。此時異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進行整體分析。而在水平力較大,且水平力作用在非主軸方向,則翹曲應力不容忽視,按平截面假定誤差較大,則應對異形柱框架結構進行有限元分析,決定內力和配筋位置及大小。在進行內力計算和配筋計算時,宜選用帶有異形柱計算功能的計算軟件。現在有一些軟件沒有異形柱截面形式,如要用它進行計算,要先進行等剛度等面積換算成矩形柱,進行整體分析,得到雙向內力后再進行異形柱的截面設計,其工作量相當大,且截面設計的可靠性不高。目前,國內可直接進行異形柱截面內力計算和截面設計的軟件有建研院的TAT、SATWE程序,廣東省建院的SS、SSW程序以及天津大學的鋼筋砼異形鋼結構配筋計算程序CRSC。這些程序均用數值積分法進行正截面配筋設計,準確性較高,經過大量工程校算,能有效地滿足結構安全性要求。
  
  2、軸壓比控制
  
  對框架結構,框-剪結構,柱的延性對于耗散地震能量,防止框架的倒塌,起著十分重 要的作用,且軸壓比又是影響砼柱延性的一個關鍵指標。由試驗結構分析[3],柱的側移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。在高軸壓比情況下,增加箍筋用量對提高柱的延性作用已很小,因而軸壓比大小的控制對柱的延性影響至關重要,特別是異形鋼結構剪力中心與截面形心不重合,剪應力使砼柱肢先于普通矩形壓剪構件出現裂縫,產生腹剪破壞,加上異形柱多屬短柱,這些導致異形柱脆性明顯,使異形柱的延性普遍低于矩形柱,因而對異形柱的軸壓比要嚴格控制。
  
  在鋼結構設計規程中,其軸壓比按砼設計規范中的要求減少0.05,但其適用高度較低,一般為35 m。當高層建筑的高度進一步加大時,其水平力的影響會愈來愈顯著,對結構的延性要求也愈高。由天津大學土木系對異形柱延性資料可知,影響異形柱延性的因素比普通柱要復雜,且不同的柱截面形式,如L型、T型、十字型,在相同水平側移下,其延性性能也有較大差異,因而,軸壓比控制應參考天津規程。但天津規程的控制過于繁鎖,在結構計算中,柱的縱筋與箍面的直徑還沒有設定,因而箍筋間距與縱筋直徑的比值還無法確定。為在實際工作中便于使用,可按不同的截面形式(L、T、十字型)與不同的抗震等級兩項指標從嚴控制,對低烈度地區的這類結構是能夠滿足其延性要求的。
  
  3、配筋構造
  
  在正確的結構選型及計算后,截面內鋼筋的構造也是保證異形柱受力性能的重要因素。由于異形柱截面的特點,柱肢端部會出現較大應力,加上梁作用于柱肢上應力的不均勻,一般越靠肢端應力越大,對柱肢形成偏心壓力,進一步加大肢端壓應力。因而在異形柱配筋時,應在肢端設暗柱,暗柱的外排鋼筋由計算而定。離端部厚度范圍內設2Ф14的構造縱筋,箍筋同柱,這樣可限制柱肢的砼裂縫的開展,提高異形柱局部抗壓抗剪強度及變形能力。柱上的箍筋不僅能抗剪,也可約束砼變形,增大其延性。異形柱由于不易形成多肢復合箍,因而其配筋率只能由加大箍筋直徑和加密間距來實現。相同配箍率下,箍筋直徑大,其延性指標好,因而箍筋且用Ф8、Ф10,其間距可比普通柱箍筋間距小。

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