异形柱结构专家必知的几个问题

来源:百度文库,由土木吧编辑整理1 问:“一”形柱为什么规程中未采用? 答:“一”形柱截面两主轴方向抗弯能力相差甚大。不论是在风荷载作用下还是

来源:百度文库,由土木吧编辑整理


1. 问:“一”形柱为什么规程中未采用?
答:“一”形柱截面两主轴方向抗弯能力相差甚大。不论是在风荷载作用下还是在地震作用下结构中的柱一般都是受到两个方向的弯矩同时作用,其受力后的表现可想而知,以上是正截面承载力方面。“一”形柱在双向剪力作用下性能也不好,由《混凝土结构设计规范》GB50010柱双向受剪承载力计算公式可见,柱截面相邻两边长相差越多,其斜向受剪承载力越低。如沿“一”形柱短边方向有梁与其相连,则此梁柱节点的核心区面积只有柱厚乘梁宽这一点点,显然承受不了它受到的节点剪力。


2000年前中国建筑科学研究院抗震所做了“高层建筑短肢剪力墙结构振动台试验研究”(见《建筑科学》2000年1期12-16页程绍革、陈善阳、刘经伟的文章)项目。试验结果为:“破坏最严重的墙肢是底层‘一’字形的小墙肢”。注:按文中所附图中小墙肢的长宽比例可其墙肢长/墙肢厚之比很小,属于柱的范围。该文结论之一是:“短肢墙应在两个方向均有连接,避免采用孤立的‘一’字形墙肢。”这也可看为是对前面分析的试验验证。
所以异形柱规程未将“一”形柱列入。

2. 问:规程为什么未将Z形柱列入?
答:Z形截面柱与“一”形截面柱类似,即两主轴方向抗弯能力相差甚大,如图示。其正截面受弯及双向受剪性能可参见“一”形截面柱的解释。


仅有的Z形柱试验是李杰等人做的沿Z形中间肢作用弯矩和剪力的试验,结果是在此肢中间沿柱长方向出现较大的裂缝。一般情况即斜向受力现无试验研究。多数情况下是Z形的上下两水平肢受与其方向一致的力,即由两根梁传来的拉力或压力,这只有通过中间肢的受扭来传递,后果只能是中间肢的断裂!节点受剪性能到底如何?这些都没有试验结果可以借鉴。钢筋混凝土结构是复杂的非线性复合材料结构,目前还离不开试验,在无大量试验背景下就提出计算公式并列入规程指导设计,显然是太草率了!


3. 问:为什么规程中的“异形柱”只限于肢厚小于 300mm(L、T、+)异形柱?
答:现在建筑界所讲的“异形柱”,特点是截面肢薄,由此引起构件性能与矩形柱性能的差异。这些包括受力、变形、构造做法等一系列差异。制定规程主要是针对肢厚200、250mm的异形柱,如将肢厚等于和大于300mm的L、T、+异形柱也列入其中,将会有大量篇幅是在后者上,即后者所占的篇幅要大于前者所占篇幅,这将使规程变得“失去重心”。例如:《混凝土结构设计规范》GB50010规定柱截面任一边的尺寸不宜小于300mm,但异形柱的(两肢)肢厚在此情况时,可服从GB50010的规定,即混凝土强度等级可到C50以上;纵筋直径可不应受不大于25mm的限制;纵筋配筋率可不受3%的限制;钢筋净保护层最小要达到30mm;与此柱相连的框架梁梁高可不受异形柱规程限制;截面肢高也不应受不小于500mm的限制、因GB50010规定300mm×300mm截面的柱可做,我做了一400mm×400mm只是去掉了100mm×100mm的一个角的柱,按异形柱规程(肢长不得小于500mm)就不让做了,等等。如将肢厚小于300mm(L、T、+)异形柱也列入规程,则以上所列的这些都要在规程中做出规定,而这些在GB50010中已有规定,占了篇幅,还没有新的东西,让设计人员两本标准都要看,不知要浪费多少人的多少时间。


4. 问:为什么不对异形截面柱提出双向受剪截面尺寸及承载力的要求?
答:试验表明,矩形截面钢筋混凝土柱在斜向水平荷载作用下,其受剪承载力大致服从椭圆规律(图1)。椭圆的主次轴在X、Y坐标轴上。如将斜向作用剪力沿X、Y轴方向分解而分别按各自方向验算截面尺寸及计算配筋的话,其结果是设计出的构件受剪承载力偏小了,即在图形上看,斜向剪力作用点处于承载力椭圆图形的外边(图1)。所以,设计计算时要先将剪力沿X、Y方向的两个分力分别扩大,然后再按X、Y向分别配筋,才能达到斜向承载力大于作用力的效果,这就是《混凝土结构设计规范》GB50010的作法。


L、T、+形截面柱有斜向水平荷载作用下,其受剪承载力的平面图形为梅花状(图2),在各象限图形是凸的。在斜向剪力作用下,如果按X、Y两个分量分别配筋满足要求的话,其斜向承载力也能满足要求。由以上原因,异形柱规程规定异形柱的斜截面承载力可以分X、Y向分别进行设计。图2是等肢(即两肢长度、宽度相同)异形截面柱受剪承载力图形,不等肢时,该图形的凸出程度要差一些,两肢长度相差越大,凸出程度越差,一形柱就是个扁椭圆。所以,这也是规程规定异形柱截面任一肢肢长不得小于500mm的一个原因。


5. 问:为什么对异形柱设计可以不用剪跨比λ>;(或≤)2而用柱净高与柱截面宽之比>(或≤)4来判别短柱与否并提出不同的承载力要求?
答:因规程适用范围为住宅等民用建筑,这类建筑荷载较小,柱刚度相对于梁刚度来讲不是是很大,较少会象公用及工业厂房中由于柱较粗的而发生的柱上反弯点跃层的现象,即每楼层内均有反弯点出现。如沿用《混凝土结构设计规范》GB50010用剪跨比λ来判别的作法,将对多达三、四十种内力组合工况进行弯矩、剪力的计算及判别,这三、四十种工况中有一种λ≤2就应按短柱的要求来计算和配筋。再者,不规定用柱净高与柱截面宽之比来判别是否短柱,初步设计时将设计人员将无法知道自己设计出的柱是否是短柱,而这点对结构抗震性能和房屋造价影响很大,因如是短柱则比非短柱的箍筋用量大大增加。





6. 问:规程限制异形柱截面各肢长不小于500mm的原因何在?
答:规程此条隐含着可以采用不等肢的异形柱截面,即L、T、+形截面的两个正交方向的肢长或肢厚可以不相等。规定此条有以下几个方面的原因:


1 双向正截面承截力要求。因住宅等民用建筑层高不大于3m,要满足柱肢长度与柱肢厚度之比不大于4及柱净高与柱截面肢长之比不小于3这两条要求,截面最大肢长不会大于800mm。如果,截面一个肢长为800mm,若另一肢肢长小于500mm,则柱的双偏压计算表明,该柱的两轴抵抗弯矩图是一个很扁的椭圆,即两轴的抵抗弯矩值相差很多,比“一”形柱好不了多少;


2 各荷载角方向延性相差很多,为了保证其有一定的延性,即最小延性的荷载角时的延性达到抗震的要求,箍筋间距要加的很密,不是规程按轴压比确定箍筋间距的表中数值所能包含的。随着两肢肢长比的变化,箍筋间距变化很大,不易用较简单的方法表达;


3 柱截面双向受剪性能较差,此已在上面的条目中提到了,这里不赘述;


4 因一般异形柱肢较薄(200mm或250mm),再加上肢较短(小于500mm),此柱上节点核心区过小,节点的受剪承载力可能不足。


5 伸入柱内的梁纵筋锚固长度不够的25d或者30d要求。


7. 问:为什么规程中异形柱只限于肢长与肢厚比h/b≤4的构件?
答:经大量理论和试验研究,截面高宽比h/b≤4杆件为柱的特性,即杆件受压弯时其截面上应变分布符合平截面假定。当h/b>4时,由于民用住宅层高决定了柱高不是很长且其截面上剪应力分布不均匀的影响,平截面假定不再成立。因此,它已不属于柱的范围,其承截力特性还有待仔细的理论和试验研究。目前,还不具备总结出计算公式和构造要求并列入规程用以指导设计的条件。


8. 问:如遇到肢长与肢厚比h/b大于4且小于5的L、T、+形截面竖向构件怎样设计较妥?
答:对于这种界于异形柱与短肢墙的构件,可采用异形柱规程和高层建筑混凝土结构技术规程JGJ-3中关于两者的正截面、斜截面、梁柱节点规定中较严的条款进行设计。


9. 问:为什么异形柱规程中未对异形柱框架-剪力墙核心筒结构体系作出规定?
答:目前为止,关于异形柱框架-剪力墙核心筒结构在国内大部分地区建造的较少,其强度、变形及抗震性能的理论和试验研究也很少,所以这次规程未将其列入。


10. 问:为什么目前设计异形柱结构要用规程编制成员开发的专用配筋软件CRSC进行?
答:异形柱的两个最为薄弱的环节是节点受剪承载力与柱的延性性能,目前(2004年5月15日)一般主要用于矩形截面钢筋混凝土柱结构的设计软件对这两个环节均与规程要求相差甚远!
如PKPM系列软件TAT、SATWE一直未对异形柱梁柱节点计算其受到的剪力,而规程要求无论抗震与非抗震设计均应进行节点强度计算及配箍筋。


最近发行的《新规范PKPM设计软件实用手册》-1第45页的问答如下:


“8 SATWE和TAT软件计算异型柱结构,有没有根据天津的异型柱规范要求柱配筋率>1%?
没有,SATWE和TAT是按普通柱配箍率处理的,要求用户在构造上人为处理。”

节点是异形柱结构的最薄弱环节,别的条目解释了,这里不赘述。

异形柱构件抗震性能差就在于其延性差,为使其能达到与普通截面柱相当的延性就要通过增加箍筋约束,规程编制根据大量试验总结出规程表7.2.2的规律,即异形柱的延性与箍筋直径、箍筋间距与箍筋直径/纵筋直径比值、柱轴压比的关系,不只是配箍率一个指标,并且1%只是对轴压比小情况时的起控制(对H/b<4的柱应不小于1.2%),轴压比较大时远远不至是1%。即将异形柱当成矩形柱来计算配筋是远远不能满足规程要求的!

长期以来,很多专家对异形柱结构是否能用在抗震设防区存在疑问,据我分析是在有些人的头脑中对异形柱按普通柱进行计算和配筋其结果必然是这样的异形柱抗震性能很差。比如上世纪八十年代初,中国建筑科学研究院抗震研究所进行了一座异形柱结构抗震振动台试验。当时天津异形柱规程还未出版,振动试验模型就是将异形柱按普通柱进行计算和配筋的(当然节点也未按异形柱规程要求去做)。试验结果是其抗震性能很差。如按天津规程要求去做,肯定其性能不会很差,见近年来各地做的十几个振动台试验文献。

所以讲,对异形柱结构绝对不能用普通柱设计公式去配箍筋!

异形柱结构配筋专用软件CRSC严格按照异形柱规程要求进行节点和柱箍筋配置,所以在目前其他软件在以上两关键方面远远未达规程要求的情况下,只有用CRSC软件进行配筋计算才能保证设计出的异形柱结构安全可靠,否则遭遇设防烈度地震时肯定会发生建研院抗震所振动台试验的结果。


11. 请问:对异形柱的轴压比限值的取值主要是意见何依据和实验确定的,而且注意到新版天津规程和旧版规程有所区别,且有从严的趋势,曾见到许多文献介绍异形柱轴压比限值的研究,但是,许多结论差异较大,不知道国家异形柱规程主要是基于何原因确定?
答:轴压比限值及框架柱构造要求的修订:
近来的研究表明,一般情况下L形、T形截面柱的截面延性随配筋率的提高而提高,然而在某柴荷载角情况下,由于截面几何形状的不对称性,拉压筋比例失衡,使得L形、T形截面柱的延性会随配筋率的提高而降低。此次修订中综合考虑上述情况,对L形、T形截面框架柱进行了大量的补充计算分析,并根据分析结果对原《规程》第7.2.2条附表的轴压比限值进行了修订,适当调整了L形、T形截面柱的轴压比限值。对+形截面框架柱则考虑了肢高与肢厚比的影响,对其轴压比限值也做了适当调整。总的来讲,L形、T形、+形截面柱的轴压比限值均比原《规程》有所减小,减小的幅度:L形、T形截面柱为0.05;+形截面柱为0.05~0.1。


12. 问:对一般情况的异形柱结构为什么要规定在结构的两个主轴方向及与两主轴呈45°方向应分别计算水平地震作用并进行抗震验算?
答:这里的一般情况是指平面布局较为规则的异形柱结构。因L形柱截面主轴与结构主轴呈45°方向,八度抗震设计时,计算发现,对于结构外缘靠近角部的L形柱,当地震作用方向与L形柱截面弱轴方向垂直时,所得的柱纵筋配筋结果取得最大值。它比对结构两主轴方向分别计算了水平地震作用所得的纵筋配筋结果要大10%-40%。设防烈度较高,结构平面越小、越接近方形其角柱按地震作用方向与结构主轴方向45°计算所得配筋越大。因此,规程(送审稿)做出此规定。


13. 问:为什么对不规则的异形柱结构规程(送审稿)未规定在结构的与两主轴呈45°方向应分别计算水平地震作用并进行抗震验算?
答:不规则的异形柱结构一般结构平面面积较大,又不接近方形,还有可能有些柱网轴线与其它柱网轴线交角大于15°;且此情况规程已规定应对其进行双向水平地震同时作用计算,对后一种情况还要求对此柱网轴线方向进行水平地震作用计算,虽此柱网轴线不一定是45°方向,但与其相差最大不到30°。这样配筋计算结果就与按每根L形柱都进行45°方向地震作用配筋计算结果相差不大了。


14. 问:为什么规程送审稿较征求意见稿对于异形柱框架结构的房屋最大适用高度有了较大幅度的降低?
答:经过针对八度抗震设防设计的六层异形柱结构振动台试验与框架节点承载力计算公式计算比较,发现上述公式计算结果与试验结果较为吻合。按上述公式计算,该六层结构下面三层大部分梁柱节点不满足截面尺寸限制条件;振动台试验的结果也是这些层的梁柱节点大部分发生不同程度损坏(虽还不至于引起整体结构的立即倒塌),而未发现其它层的梁柱节点有损坏现象。以上验证了计算公式的准确性和CRSC计算软件的可靠性。用此公式和软件对大量工程计算发现原异形柱框架结构的房屋最大适用高度有些偏高,故对此进行了的调整,特别是高烈度设防区的调整幅度较大,八度设防由最高为六层降低为最高四层。所以给出最高限值是针对目前大多数结构设计软件都不会或不计算异形柱框架节点受剪承载力,造成很大的安全隐患。


15. 问:异形柱截面上什么位置的纵筋是受力纵筋?
答:异形柱截面上受力纵筋的位置如下图所示。试验和模拟计算表明这些位置上的纵筋均发挥较大的作用,特别是当轴压较大时处于各肢内折角处的纵筋的作用不容忽视,一定要作为受力筋处理。





16. 问:为什么要规定“异形柱结构框架梁截面高度抗震设计时不应小于400mm”?
答:类似于贯穿节点的梁纵筋,当节点的非弹性变形较大时,贯穿节点的柱纵向钢筋粘结退化与滑移加剧,甚至出现“拉风箱”、即沿节点区柱纵向钢筋全长粘结破坏、现象发生。为保证其粘结应为不致过大,避免上述现象出现,规定梁的高度、即节点高度不能太小。


我国钢筋混凝土规范11.6.7.1条款规定对一、二级抗震等级,梁内贯穿中柱的纵向钢筋不宜大于柱在该方向截面尺寸的1/20。对柱的纵筋未提要求,看来是该规范的一个欠缺,因根据剪力平衡,节点横、竖向的剪力是相等的,对竖向、即沿柱纵筋方向不提要求是个欠缺。


美国混凝土学会节点委员会要求对抗震设计的节点高度不小于20倍柱纵筋直径(美国不分抗震等级)。新西兰有比美国更严格的规定。
异形柱规程假定柱纵筋直径20mm,按20倍柱纵筋直径取,即规定抗震设计的异形柱框架梁最小高度为400mm。非抗震设计有所放松。


异形柱结构框架节点钢筋粘结条件可能不如普通框架节点钢筋粘结条件,希望设计人员务必遵守此条规定。


17. 问:送审初稿为什么规定二级抗震等级的异形柱弯矩增大系数比混凝土规范对矩形柱弯矩增大系数要大?
答:根据重庆大学白绍良老师等近年来用自编的和国外的非线性动力反应分析程序(杆系单分量模型的平面结构体系和“伪三维”结构体系)计算分析修订前后规范“强柱弱梁”措施的有效性的主要结论:一级抗震等级的措施比较有效,能保证一般矩形柱或圆形柱在罕遇地震下的塑性变形不超过其其塑性变形(延性)能力。二级抗震等级因柱弯矩增强系数只有1.2,而实际上因梁跨中下部钢筋伸入支座和节点左、右梁上部钢筋拉通等原因,这个1.2的系数不能保证柱端出现塑性铰后的塑性转动在大震下不超过其延性能力,因此,从保证抗震性能来看远不如一级抗震。虽然新混凝土规范将系数从1.1提到1.2,并没有完全消除这一问题。因此白绍良老师建议二级抗震等级的系数至少应提到1.3。所以,这些制定规程采纳了白老师的建议,二级抗震等级异形柱弯矩增大系数取为1.3。


18. 问:《规程》32页倒数第5行,“当梁的截面宽度的任一侧凸出柱边不小于50mm时,该侧梁角部的纵向受力钢筋可在本柱肢纵向受力钢筋的外侧锚入节点核心区,但凸出柱边尺寸不应大于75mm(图6.3.3-1b)。且从柱肢纵向受力钢筋内侧锚入的梁上部、下部纵向受力钢筋,分别不宜小于梁上部、下部纵向受力钢筋截面面积的70%。”说明什么?怎样理解?

答:即要求下图中5号钢筋面积至少占纵向受力钢筋截面面积的70%。





19. 问:《规程》33页倒数第12行,“且节点处一倍梁高范围内梁的侧面应设置纵向构造钢筋并伸至柱外侧,钢筋直径不应小于8 mm,间距不应大于100mm。”怎样理解?怎样做法?
答:见下图中红色钢筋,类似于梁的腰筋。起外节点核心区的水平受剪箍筋的作用。图中水平方向梁也应照此作法。


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