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      斜柱結(jié)構(gòu)研究綜述

      2012-08-15 00:51:18
      山西建筑 2012年22期
      關(guān)鍵詞:斜柱框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力

      (四川農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院,四川都江堰 611830)

      0 引言

      隨著科技的進(jìn)步,現(xiàn)代建筑造型多樣化、異型化,建筑結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜,許多建筑沿立面傾斜,自2005年起大量斜柱涌現(xiàn)。它的出現(xiàn)一定程度上滿足了設(shè)計師對造型新穎和功能多樣的要求。

      斜柱結(jié)構(gòu)可在柱間直接完成轉(zhuǎn)換,傳力途徑直接,技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好;可完成高位轉(zhuǎn)換,以節(jié)約空間,增大了使用面積,美化了立面效果;能有效地提高設(shè)計效率,加快工程施工進(jìn)度,從而降低工程造價,具有廣闊的發(fā)展前景。因此,斜柱具有極高的實際應(yīng)用價值。

      在斜柱研究方面,主要運用以下方法:利用AutoCAD軟件對梁柱節(jié)點進(jìn)行深化設(shè)計;用“力法變形法”“附加鏈桿法”或“帶斜柱兩跨多層簡式框架的形變迭代解法”進(jìn)行內(nèi)力計算;采用PKPM及其程序SATWE、大型通用有限元分析軟件ANSYS和SAP、三維有限元分析軟件ETABS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析;大震變形運用中國建筑研究院的PUSH&EPDA軟件中的靜力推覆分析(Pushover)方法。

      目前,針對斜柱結(jié)構(gòu)抗震研究工作較少,現(xiàn)行規(guī)范中尚無斜柱斜框架結(jié)構(gòu)的配套規(guī)定,然而已經(jīng)有了一些工程實例可供參考,如加蓬共和國參議院大廈、深圳2000大廈、蘇州凱悅酒店等。

      在歷次發(fā)生的大地震中,框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點是結(jié)構(gòu)抗震的一個薄弱環(huán)節(jié),它的破壞是引起建筑物破壞的主要原因之一。在早期的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,框架節(jié)點的地震破壞記錄及研究較少,設(shè)計上也沒有詳細(xì)規(guī)定。

      綜上所述,簡要介紹斜柱、斜柱節(jié)點及抗震性能,概述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,可為廣大高層建筑斜柱結(jié)構(gòu)設(shè)計人員和國家相關(guān)規(guī)范的制定提供參考。

      1 國內(nèi)外研究概況

      斜柱結(jié)構(gòu)分析研究是高層復(fù)雜建筑抗震的重要環(huán)節(jié),無數(shù)學(xué)者在理論研究、數(shù)值模擬研究、實體模型研究等方面進(jìn)行了大量的研究工作,也取得了較多成果。我國同濟(jì)大學(xué)、重慶大學(xué)、清華大學(xué)、北京科技大學(xué)、武漢建筑設(shè)計院、四川省建筑科學(xué)研究院等許多院校和科研單位都做出了行之有效的研究工作。

      1.1 理論研究

      理論研究是基于前人得出的各種理論進(jìn)行的研究。建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的基本理論研究包括結(jié)構(gòu)可靠度、混凝土結(jié)構(gòu)基本理論、組合結(jié)構(gòu)三方面;混凝土結(jié)構(gòu)基本理論方面的研究工作包括對結(jié)構(gòu)材料的研究,主要對鋼材與混凝土的基本性能,對構(gòu)件的基本受力及復(fù)合受力的計算與設(shè)計方法等作系統(tǒng)的研究。

      強心誠[1]通過多種方法校核并對比,提出“帶斜柱兩跨多層簡式框架的形變迭代解法”,并舉例證明該計算方法所得結(jié)果完全滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要。這一新的計算方法以節(jié)點轉(zhuǎn)角為運算對象,如桿件兩端相對變位,并能夠自動除誤。運用此方法來解決帶有斜柱的兩跨多層簡式框架結(jié)構(gòu)是可行的。

      王家祥[2]研究了浙江省凱悅酒店,做了結(jié)構(gòu)選型、結(jié)果調(diào)整和靜動力分析,提出了斜柱斜框架等結(jié)構(gòu)的靜動力和結(jié)構(gòu)地震振動分析理論。利用ETABS等有限元軟件建立模型,并進(jìn)行了反應(yīng)譜分析和彈性時程地震反應(yīng)分析等,通過改變梁柱截面尺寸,采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu),放大地震內(nèi)力等,解決了該建筑斜柱斜框架結(jié)構(gòu)受力不合理的問題。

      1.2 數(shù)值模擬研究

      數(shù)值模擬研究是運用ANSYS,SAP2000,PKPM中的 SATWE等大型有限元分析軟件,對研究對象建立模型、操作、設(shè)計,在靜動力分析、線性以及非線性分析、反應(yīng)譜分析等方面,可為研究者提供可靠的計算分析結(jié)果。

      孫艷等人[3]通過對加蓬共和國參議院大廈的結(jié)構(gòu)設(shè)計深入了解,談到了結(jié)構(gòu)方案及計算單元的確定,計算荷載的取值,結(jié)構(gòu)計算與結(jié)構(gòu)分析的方法,并介紹了鋼筋混凝土大斜柱的處理方法,得出結(jié)論:援外工程結(jié)構(gòu)的確定需因地制宜,在劃分復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)計算單元時應(yīng)設(shè)置變形縫,并兼顧建筑物平面的設(shè)置及當(dāng)?shù)氐臈l件等因素。在鋼筋混凝土斜柱的設(shè)計時,合理確定斜柱的懸挑長度和傾角有利于結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

      曹秀萍、馬耀庭[4]分析了斜柱在深圳2000大廈高位轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用,該大廈采用了斜柱轉(zhuǎn)換方式,適當(dāng)加強了轉(zhuǎn)換層的樓蓋結(jié)構(gòu),著重介紹了斜柱在轉(zhuǎn)換層中的應(yīng)用,斜柱轉(zhuǎn)換通過TBSA(5.0版)和SATWE軟件計算的結(jié)果分析和相關(guān)節(jié)點的設(shè)計及施工,說明了采用上下層梁板形成的桁架和斜柱轉(zhuǎn)換是可行的。

      傅學(xué)怡、江化冰等[5]針對國外某高層斜柱交叉節(jié)點設(shè)計研究,該建筑外部網(wǎng)筒由圓柱斜向交叉與環(huán)梁編織而成,經(jīng)有限元分析,匯交節(jié)點應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜,陰角區(qū)存在明顯的應(yīng)力集中,通過彈性、彈塑性有限元分析,找出了應(yīng)力集中的原因,進(jìn)而有針對性地提出了采用鋼板凳進(jìn)行加強的措施,取得了較好的效果。同時也針對傾斜結(jié)構(gòu)的受力、變形特點,進(jìn)行專項施工模擬分析,保證結(jié)構(gòu)施工安全。

      周洲、華立沖等[6]運用SATWE和ETABS兩種軟件對黃浦體育中心辦公樓斜柱結(jié)構(gòu)做了內(nèi)力和在中震情況下彈性分析,針對節(jié)點介紹了設(shè)計和加強措施。同時,提出了利用性能設(shè)計增強斜柱、樓蓋梁等最重要構(gòu)件的抗震性能,并運用中震彈性理論復(fù)核其內(nèi)力。

      李達(dá),牟在根等[7]運用SATWE軟件對局部異形柱的多層框架結(jié)構(gòu)做了建模分析、結(jié)構(gòu)計算,并針對其設(shè)計提出了在SATWE中,柱模型應(yīng)采用柱法計算,墻法模型采用“剪力墻組合配筋程序”和“框架結(jié)構(gòu)”“框剪結(jié)構(gòu)”來進(jìn)行設(shè)計和計算,計算時框架傾覆力矩控制在50%~75%。

      1.3 實體模型研究

      模型研究是在條件允許下,將模擬研究對象根據(jù)一定比例形成實體模型,并對模型進(jìn)行構(gòu)件性能測試、耐久性測試、混凝土無損測試、結(jié)構(gòu)動力性能測試等,從而直接演示變化因素對實體的影響。

      楊勇等人[8]對青島萬邦中心1號樓地上10層一個角柱由倒Y形空間斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)承托的受力性能進(jìn)行分析。重點通過實驗,先分別對柱和斜撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載,再同時加載并超過設(shè)計荷載,得到了轉(zhuǎn)換節(jié)點處的剛度和強度在不同荷載下的數(shù)據(jù),最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,得出節(jié)點核心區(qū)受力滿足要求,但支撐構(gòu)件受力復(fù)雜,需加大截面尺寸來改善。

      楊治林[9]通過分析框架結(jié)構(gòu)震害形態(tài),運用擬動力地震反應(yīng)對填充墻和斜柱分析與試驗,提出了在填充墻適當(dāng)增設(shè)斜柱,尤其是在邊角柱的填充墻對角方向,由此提高斜柱結(jié)構(gòu)的抗震能力。

      2 研究斜柱結(jié)構(gòu)的方法及應(yīng)該注意的問題

      在研究斜柱結(jié)構(gòu)時,目前主要采用中國建筑科學(xué)研究院的PKPM軟件及其程序SATWE、大型通用有限元分析軟件ANSYS和SAP2000、三維有限元分析軟件ETABS等進(jìn)行分析。在研究和分析的過程中,一般需要注意以下問題。

      2.1 在理論研究中

      1)對斜柱等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究,應(yīng)運用“總綱計算方法”和“立體指點系”的模型,得到樓板在地震作用下的應(yīng)力分布情況,分析整體和各構(gòu)件在空間的反應(yīng),對整體則按彈性樓板假定來分析。2)軟件設(shè)計時,因為對斜柱沒有要求和構(gòu)造措施,配筋計算和配筋只能以最初內(nèi)力為依據(jù)。所以在配筋時應(yīng)按高一級抗震等級配置,并按照《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》,將計算得到的型鋼截面面積擴(kuò)大至原來的1.5倍。

      2.2 在數(shù)值模擬研究中

      1)在ETABS中,針對不規(guī)則結(jié)構(gòu),若采用三維動力計算模型,應(yīng)采用CQC法進(jìn)行振型組合。2)為了保證斜柱結(jié)構(gòu)的安全性,運用扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法以及對三條時程曲線進(jìn)行時程分析,以此作為多遇地震下的補充計算,同時還應(yīng)運用其他軟件對其分析比較。3)使用有限元軟件分析時,為保證結(jié)果有效性,應(yīng)使模型所受約束和實際受力情況相符。而在分析構(gòu)件時,如果某一時刻的試驗中的構(gòu)件任一部分損壞,說明計算不收斂。也就是說,構(gòu)件中最早發(fā)生明顯損壞的部分所對應(yīng)的荷載是有限元極限荷載的定義。4)因為沒有將斜柱考慮進(jìn)框架—剪力墻結(jié)構(gòu),現(xiàn)有的軟件又將斜柱當(dāng)成支撐,所以在總體信息里得到的框架所分擔(dān)的地震傾覆力矩是不合理的。也就是說,斜柱所受的彎矩和剪力不能利用軟件合理調(diào)整,所以,在放大2倍內(nèi)力的同時,應(yīng)重新設(shè)置地震剪力,并確保不小于當(dāng)層2%的總地震力。

      3 結(jié)論及建議

      通過基于各種方法對斜柱結(jié)構(gòu)的研究分析和大量資料顯示,斜柱的運用在各類建筑環(huán)境中都是解決結(jié)構(gòu)難題的有效辦法。雖然國內(nèi)外對此已進(jìn)行了不少研究,也取得了很多的成果,但仍存在以下問題:

      1)收縮和徐變會使斜柱的弧度增大,產(chǎn)生二次彎矩,設(shè)計中宜考慮二階效應(yīng)的影響。

      2)斜柱若先外擴(kuò)后內(nèi)收,則在樓層處易產(chǎn)生水平力,樓板的設(shè)計中應(yīng)考慮這種水平拉力。

      3)斜柱具有抗彎壓的作用,柱端的壓力會引起柱中截面的彎矩效應(yīng),受力會因柱端截面與軸線的角度不同而有差別,設(shè)計分析時不能忽略。

      4)利用ANSYS軟件對框架結(jié)構(gòu)中的斜柱進(jìn)行有限元分析時,由于軟件本身的缺陷,求解過程中難以收斂幾乎是無法避免的。

      5)在SATWE軟件中,將斜柱按照斜桿處理,無法考慮剛域的影響,導(dǎo)致梁端彎矩等失真,特別是當(dāng)斜柱的截面較大時。目前只能通過建直柱模型來間接近似模擬。同時,斜桿在進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整時,無法考慮內(nèi)力放大系數(shù)等,需采用其他軟件進(jìn)行斜柱的內(nèi)力統(tǒng)計,并進(jìn)行校核計算,如MIDAS軟件。

      6)結(jié)構(gòu)的受力特征在一定程度上取決于斜柱的傾斜率,在斜角結(jié)構(gòu)中,特別體現(xiàn)在對底層的內(nèi)力、剛度及層間位移的影響;由于底部的軸力較大,對底部斜柱外傾的情況特別不利。

      注:呂雪婷也參加了此次寫作。

      [1]強心誠.帶斜柱兩跨層簡式框架的形變迭代解法[J].建井技術(shù),1981(1):35-42.

      [2]王家祥.斜柱斜框架結(jié)構(gòu)靜動力分析與研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2008:3.

      [3]孫 艷,趙洪鐘.加蓬共和國參議院大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計體會[J].工業(yè)建筑,2005(35):229-231.

      [4]曹秀萍,馬耀庭.斜柱在深圳2000大廈高位轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2002,32(8):15-19.

      [5]傅學(xué)怡,江化冰,孫 璨.國外某高層斜柱交叉節(jié)點設(shè)計研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2009,39(11):9-12.

      [6]周 洲,華立沖.黃浦體育中心辦公樓斜柱結(jié)構(gòu)計算分析[J].結(jié)構(gòu)工程師,2006,22(1):27-33.

      [7]李 達(dá),牟在根,孟勝國,等.局部柱肢斜交異形柱框架的設(shè)計[A].第19屆全國結(jié)構(gòu)工程技術(shù)會議論文集(第Ⅲ冊)[C].2010:348-351.

      [8]楊 勇,陳彬磊,樊健生,等.青島萬邦中心倒Y形空間轉(zhuǎn)換組合節(jié)點試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2011,41(9):98,127-130.

      [9]楊治林.高層框架結(jié)構(gòu)填充墻中的抗震斜柱[J].工程力學(xué),1999(8):702-706.

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