型鋼混凝土異形柱的基本力學行為及軸壓比限值的研究.ppt

1、型鋼混凝土異形柱的基本力學行為及軸壓比限值的研究,西安建筑科技大學 薛建陽,1 型鋼混凝土異形柱的研究意義,異形柱結構柱肢寬度與隔墻等厚,具有避免室內柱楞凸出、美觀適用、得房率高等優(yōu)點，倍受歡迎。在中國異形柱結構得到了大量的應用. 異形柱在具有以上優(yōu)點的同時，也存在著其截面特性帶來的先天不足,承載能力不足 。 軸壓比限值過低 。 抗震性能也不理想。 在梁柱節(jié)點處，鋼筋較密集 ，施工困難。 因此，學者們研究改善RC異形柱的不足，提出了加暗柱RC異形柱、 CFST異形柱、SRC異形柱、鋼結構異形柱等新型異形柱結構,工程實踐表明，目前應用的鋼筋混凝土（RC）異形柱存在著以下主要問題,型鋼混凝土（SR

2、C）異形柱,SRC異形柱截面中主要配置型鋼并配有適量的縱向鋼筋和箍筋，然后澆筑混凝土把型鋼包裹在里面的異形柱 。 根據(jù)配鋼形式的不同，SRC異形柱可以分為兩種，實腹式配鋼SRC異形柱和空腹式配鋼SRC異形柱，空腹式配鋼中又可分為配T型鋼桁架和配槽鋼桁架兩種,SRC異形柱示意圖,SRC異形柱保護層厚度及配鋼分析,SRC異形柱與矩形柱相比:具有柱肢細長肢寬薄的特點,常采用200mm及240mm兩種。 SRC結構與RC結構的一個顯著區(qū)別是鋼與混凝土的粘結性能差。 現(xiàn)有規(guī)范對SRC結構的保護層厚度要求高，宜采用150mm，最小不得小于50mm 。 顯然SRC異形柱沒法滿足規(guī)范要求，確定保護層厚度是研究

3、的重要問題,保護層混凝土的作用,維持型鋼與混凝土之間的握裹力，提供鋼與混凝土之間的粘結力 。 約束型鋼，防止型鋼屈曲失穩(wěn)，提高防火、防腐、防銹能力，提高構件剛度。 影響構件受力的有效高度。混凝土保護層厚度越小 、力臂越大、抗彎性能越好,混凝土保護層厚度的確定原則,不發(fā)生失穩(wěn)的最小保護層厚度。 把混凝土保護層視為一塊薄板，根據(jù)板的彈塑性屈曲理論，推導出混凝土在達到受壓強度以前，不會發(fā)生失穩(wěn)的最小保護層厚度,圖2.1 計算簡圖,板的彈塑性屈曲理論推導公式,混凝土板的彈塑性屈曲應力為： 上式中，彈塑性系數(shù) 的取值是核心問題。 不發(fā)生失穩(wěn)破壞的最小保護層厚度計算式為,2-1,2-2,混凝土臨界保護層厚

4、度,力的平衡條件,圖2.2 計算簡圖,2-3,2-4,2-5,耐久性、防火、剛度等確定保護層厚度,耐久性角度考慮混凝土保護層厚度。 從防火性能角度考慮，保護層60mm時，可耐火3h, 50mm時，可耐火2h。 從提高結構剛度的角度出發(fā)，英國規(guī)范規(guī)定了保護層厚度不小于40mm。 結論：分別從上述各方面考慮，取其中的一個最大值作為SRC異形柱的混凝土最小保護層厚度,SRC異形柱的配鋼分析,配T型鋼桁架 配槽鋼桁架 實腹式配鋼,斜截面配鋼,空腹式配鋼在各肢型鋼之間焊接腹桿或腹板，形成空間鋼構，腹桿也起到栓釘?shù)淖饔茫欣谔岣呤芰π阅堋?地震區(qū)的結構，考慮到地震作用具有往復性，配置交叉斜腹桿的形式效果

5、更好 。 綴件的截面積和間距確定，應滿足確保縱向型鋼與混凝土協(xié)同工作以及構件的抗剪要求,3 SRC異形柱力學特性分析,SRC異形柱由于截面不規(guī)則，導致了其不同于傳統(tǒng)的矩形、圓形柱的一些特有性質。 邊界條件不同的SRC異形柱的力學特性不同，鉸接及一端鉸接一端固接的異形柱具有雙偏壓特性，而兩端固接異形柱是單偏壓特性。 框架結構中SRC異形柱滯回曲線對稱，破壞主要由承載力薄弱一側的上下端控制,兩端鉸接異形柱的力學特性,任意取截面上一點dA為研究對象，在外荷載作用下產生的應力為,圖3.1 L形柱截面示意,當僅有繞 x,軸彎矩作用時,由于異形柱截面不對稱 必定會發(fā)生雙偏壓破壞現(xiàn)象,兩端剛接異形柱的力學特

6、性,框架結構中異形柱的力學模型為兩端剛接。 當樓蓋只發(fā)生沿x軸方向的剛體平移時，相應的各框架柱將只發(fā)生繞x軸方向的彎曲變形。是由樓蓋平面內剛度無窮大，樓蓋給各柱端強力的約束所決定。 根據(jù)常識，樓蓋發(fā)生x軸方向的剛體平移，相應的各框架柱也將只發(fā)生x軸方向的彎曲變形,反證法證兩端固接異形柱單偏壓特性,命題：假定異形柱在樓蓋產生x軸方向的剛體平移時，發(fā)生雙向彎曲。 式中： 、 分別表示框架柱x、y 方向的水平位移。 求解得 ： 代入邊界條件得,由于 ， ，必定有 、 ，顯然與命題只發(fā)生 x 軸方向位移的假定矛盾，命題不成立。 因此，樓蓋發(fā)生軸x方向的剛體平移時，柱當且僅當發(fā)生繞 y軸方向的彎曲變形，

7、即： 結論：這就證明了兩端固接異形柱的單偏壓特性,低周反復荷載作用下剛接異形柱的受力特性,圖3.4 異形柱框架彎矩示意圖,由圖可見，正反向荷載作用時，彎矩圖對于反彎點反對稱，對于T形柱，反復荷載作用下，腹板上下端部交替壓碎，同一根柱子上下部分的混凝土、配筋完全相同，承載能力也相同，因此，滯回曲線形狀應該是對稱的,4 SRC異形柱的軸壓比限值,異形柱由于截面不規(guī)則，與矩形柱相比，延性差，軸壓比限值更為嚴格。 RC異形柱的軸壓比限值較低，影響了其適用范圍。 研究如何提高異形柱的軸壓比限值，已成為一個亟待解決的問題。加暗柱RC異形柱、鋼管混凝土異形柱、SRC異形柱，目的之一就是提高軸壓比限值,軸壓比

8、限值的確定,一般認為SRC結構的軸壓比限值的確定，以位移延性系數(shù)=3為界。 日本規(guī)范則以極限轉角具有0.01弧度為界。 綜上可以認為：當SRC異形柱同時滿足位移延性系數(shù)3，和極限轉角0.01弧度，對應的軸壓比安全可行,SRC異形柱的軸壓比實驗,試驗結果分析,發(fā)生剪切粘結破壞的試件，即使軸壓比限值很低，也不能滿足的3的延性要求。采取有效措施防止剪切粘結破壞十分必要。 SRC異形柱的設計軸壓比限值可以達到0.65,基于界限破壞計算SRC異形柱的軸壓比限值,計算思路：根據(jù)界限破壞的定義（受壓混凝土達到極限壓應變的同時受拉型鋼屈服），求出對應的軸壓比。 由于截面不規(guī)則，需要編程實現(xiàn)。 程序的關鍵是：不

9、同方向荷載作用下，截面中最大混凝土應變點和最大受拉型鋼應變點的確定。 編寫了計算程序SRCZYAB,程序計算結果分析,同一試件，不同加載方向軸壓比限值相差很大。 對T、L形柱：90度加載（腹板受壓、翼緣受拉時），軸壓比限值最小。 對十形柱，45度加載時，軸壓比限值最小。 由于截面及配鋼不對稱，按界限破壞的方法計算SRC異形柱的軸壓比有可能出現(xiàn)負值（也就是根本不可能發(fā)生界限破壞,試驗檢驗界限破壞理論的計算結果,部分試件（T2、T9、L3）試驗實加軸壓比明顯大于理論計算結果時，延性仍大于3。 采用界限破壞的計算方法計算SRC異形柱的軸壓比限值存在缺陷。 沒法真正反映出型鋼分擔軸力的作用。 計算結果出現(xiàn)負值或很小的值，明顯與實際不符,基于疊加法計算SRC異形柱的軸壓比限值,日本規(guī)范及我國規(guī)程采用了疊加法計算SRC矩形柱的軸壓比限值。 由于異形柱截