淺析高層建筑結(jié)構(gòu)受力

     摘要:本文對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異形柱框架結(jié)構(gòu)兩種新的高層住宅結(jié)構(gòu)型式的受力特點、結(jié)構(gòu)分析及構(gòu)造要求進行分析。

  關(guān)鍵詞:高層建筑剪力墻異形柱

  現(xiàn)在人們對住宅,特別是高層住宅平面與空間的要求越來越高,人們新的住宅觀念的高層住宅結(jié)構(gòu)型式,即“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”和“異形柱框架結(jié)構(gòu)”型式。這兩種新的結(jié)構(gòu)由于在很大程度上克服了普通框架與普通剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點,受到了建筑師的肯定,更得到了住戶與房開商的歡迎.

  一、 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

  短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是指墻肢的長度為厚度的5-8倍剪力墻結(jié)構(gòu),常用的有“T”字型、“Z”字型、折線形、“一”字型。

  這種結(jié)構(gòu)型式的特點是:

  (一)結(jié)合建筑平面,利用間隔墻位置來布置豎向構(gòu)件,基本上不與建筑使用功能發(fā)生矛盾。

  (二)能靈活布置,可選擇的方案較多,樓蓋方案簡單。

 。ㄈ┻B接各墻的梁,隨墻肢位置而設(shè)于間隔墻豎平面內(nèi),可隱蔽。

  (四)墻的數(shù)量可多可少,肢長可長可短,主要視抗側(cè)力的需要而定,還可以通過不同的尺寸和布置來調(diào)整剛度中心的位置。

 。ㄎ澹└鶕(jù)建筑平面的抗側(cè)剛度的需要,利用中心剪力墻,形成主要的抗側(cè)力構(gòu)件,較易滿足剛度的強度要求。

  對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算,因其是剪力墻大開口而成,所以基本上與普通剪力墻結(jié)構(gòu)分析相同,可采用三維桿-系薄壁柱空間分析方法或空間桿-墻組元分析方法,前者如建研院的TBSA、TAT,廣東省建筑設(shè)計院的廣廈CAD的SS模塊,后者如建研院的TBSS-AP、SATWE,清華大學(xué)的TUS,廣東省建院的SSW等。其中空間桿墻組元分析方法計算模型更符合實際情況,精度較高。雖然三維桿系-薄壁柱空間分析程序使用較早,應(yīng)用較廣,但對墻肢較長的短肢剪力墻,應(yīng)該用空間桿-墻組元程序進行校核。在進行以上分析后,按《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)范》進行截面與構(gòu)造設(shè)計,相對于異形柱結(jié)構(gòu),短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的理論與實踐較為成熟,但這種結(jié)構(gòu)在結(jié)果設(shè)計中仍然有需呀引起重視的方面。

  由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)相對于普通剪力墻結(jié)構(gòu)其抗側(cè)剛度較小,設(shè)計時宜布置適當數(shù)量的長墻,或利用電梯,樓梯間形成剛度較大的內(nèi)筒,以避免設(shè)防烈度下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形,同時也形成兩道抗震設(shè)防;短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位是建筑平面外邊緣的角部處的墻肢,當有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時,會加劇已有的翹曲變形,使其墻肢首先開裂,應(yīng)加強其抗震構(gòu)造措施,如減小軸壓比,增大縱筋和箍筋的配筋率;高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下,顯現(xiàn)整體彎曲變形為主,底部外圍小墻肢承受較大的豎向荷載和扭轉(zhuǎn)剪力,由一些模型試驗反映出外周邊墻肢開裂,因而對外周邊墻肢應(yīng)加大厚度和配筋量,加強小墻肢的延性抗震性能。短肢墻應(yīng)在兩個方向上均有連接,避免形成孤立的“一”字形墻肢;各墻肢分布要盡量均勻,使其剛度中心與建筑物額的中心盡量接近,必要時用長肢墻來調(diào)整剛度中心。

  高層結(jié)構(gòu)中的連梁是一個耗能構(gòu)件,在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中,墻肢剛度相對減小,連接各墻肢間的梁已類似普通框架梁,而不同于一般剪力墻間的連梁,不應(yīng)在計算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調(diào),使其設(shè)計內(nèi)力降低,應(yīng)按普通框架梁要求,控制砼壓區(qū)高度,其梁端負彎矩鋼筋可由塑性調(diào)幅70%-80%來解決,按強剪弱彎,強柱弱梁的延性要求進行計算。

  二、 異形柱結(jié)構(gòu)

  異形柱結(jié)構(gòu)是指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。

  這種結(jié)構(gòu)的特點是:

  (一)由于截面的這種特殊性,使得墻肢平面內(nèi)外兩個方向剛度對比相對較大,導(dǎo)致各向剛度不一致,其各向承載能力也有較大差異;

 。ǘ⿲τ陂L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(gòu)件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍,且屬薄壁構(gòu)件,即使發(fā)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(yīng)變,χ為截面受壓區(qū)高度)較小,使彎曲變形性能有限,延性較差;

 。ㄈ┊愋沃捎谑嵌嘀,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(xié)調(diào)變形和內(nèi)力,這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢內(nèi)存在相當大的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力,而剪應(yīng)力的存在,使柱肢易先出現(xiàn)裂縫,也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態(tài),它使得異形柱叫普遍截面柱變形能力低,脆性破壞明顯;

 。ㄋ模┨貏e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(nèi)外大量的試驗資料和理論分析,異形柱的破壞形態(tài)為:彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等,影響其破壞形態(tài)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(fù)雜,設(shè)計中必須通過可靠的計算和必要的構(gòu)造措施來保證其強度和延性。

  目前,異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計還沒有統(tǒng)一的國家規(guī)范,僅有兩部地方性法規(guī),即廣東省標準DBJ/15-15-95和天津市標準DB29-16-98可供參考。

  在進行異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計時,除滿足高規(guī)中對結(jié)構(gòu)布置要求外,還應(yīng)注意幾個方面的問題:

 。ㄒ唬 配筋構(gòu)造

  在正確的結(jié)構(gòu)選型及計算后,截面內(nèi)鋼筋的構(gòu)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(xiàn)較大應(yīng)力,加上梁作用于柱肢上應(yīng)力的不均勻,一般越靠肢端應(yīng)力越大,對柱肢形成偏心壓力,進一步加大肢端壓應(yīng)力。因而在異形柱配筋時,應(yīng)在肢端設(shè)暗柱,暗柱的外排鋼筋由計算而定。離端部厚度范圍內(nèi)設(shè)2Ф14的構(gòu)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,也可以約束砼變形,增大其延性。異形柱由于不易形成多肢復(fù)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(xiàn)。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。

  (二)異形框架的計算。由于其截面的特殊性,在柱截面對稱軸內(nèi)受水平力作用時,彈性分析其計算翹曲應(yīng)力很小,此時如同承受水平力的偏壓構(gòu)件,仍可按平截面假定分析,按砼設(shè)計規(guī)范計算,特別是在框——剪,框——筒結(jié)構(gòu)中,對6度及其以下烈度區(qū)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(yīng)力不容忽視,按平截面假定誤差較大,則應(yīng)對異形柱框架結(jié)構(gòu)進行有限元分析,決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進行內(nèi)力計算和配筋計算時,宜選用帶有異形組計算功能的計算軟件,F(xiàn)在有一些軟件沒有異形柱截面形式,如要用它來進行計算,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(nèi)力后再進行異形柱的截面設(shè)計,其工作量相當大,且截面設(shè)計的可靠性不高。目前,國內(nèi)可直接進行異形柱截面內(nèi)力計算和截面設(shè)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(xué)的鋼筋砼異形柱結(jié)構(gòu)配筋計算程序CRSC。這些程序均用數(shù)值積分法進行正截面配筋設(shè)計,準確性較高,經(jīng)過大量工程校算,能有效地滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。

  (三)軸壓比控制。對框架結(jié)構(gòu),框——剪結(jié)構(gòu),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(guān)鍵指標。由試驗結(jié)構(gòu)分析,柱的側(cè)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(guān)重要,特別是異形柱結(jié)構(gòu)剪力中心與截面形心不重合,剪應(yīng)力使砼柱肢先于普通矩形壓剪構(gòu)件出現(xiàn)裂縫,產(chǎn)生腹剪破壞,加上異形柱多屬短柱,這些導(dǎo)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。

  在廣東規(guī)程中,其軸壓比按砼設(shè)計規(guī)范中的要求減少0.05,但其適用高度較低,一般為35m。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(jié)構(gòu)的延性要求也愈高。由天津大學(xué)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(fù)雜,且不同的柱截面形式,如L型、T型、十字型,在相同水平側(cè)移下,其延性性能也有較大差異,因而,軸壓比控制應(yīng)參考天津規(guī)程。但天津規(guī)程的控制過于繁鎖,在結(jié)構(gòu)計算中,柱的縱筋與箍面的直徑還沒有設(shè)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(qū)的這類結(jié)構(gòu)是能夠滿足其延性要求的。