鋼結(jié)構(gòu)異型柱框架的應(yīng)用和發(fā)展

石可嘉

摘 要：本文主要介紹異型鋼結(jié)構(gòu)框架的在高層建筑體系的應(yīng)用，分析了該體系在鋼結(jié)構(gòu)能夠利用的原因，對(duì)異型鋼結(jié)構(gòu)柱的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對(duì)各種異型柱的應(yīng)用特點(diǎn)，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析和比較。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；異型框架柱；高層住宅

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是在結(jié)構(gòu)的可靠度和經(jīng)濟(jì)之間選擇一種合理的平衡，力求以最低的代價(jià)，使建造的結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件和使用期內(nèi)，能夠滿足預(yù)定的安全性，適用性和耐久性等功能要求，這就要求設(shè)計(jì)人員在安全和經(jīng)濟(jì)綜合考慮，合理的結(jié)構(gòu)體系之關(guān)重要，目前的主要的是混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，由于混凝土結(jié)構(gòu)很多缺點(diǎn)，和科技的進(jìn)步和環(huán)保意識(shí)的提高，鋼結(jié)構(gòu)得到了很大的發(fā)展。

鋼結(jié)構(gòu)作為建筑體系的優(yōu)勢(shì)在于，鋼結(jié)構(gòu)有利于工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)，鋼結(jié)構(gòu)是綠色建筑，節(jié)能建筑，鋼結(jié)構(gòu)提高了空間的利用率，鋼結(jié)構(gòu)建筑的重量輕，體量小，而且本身有良好的延性，因此鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能非常好，鋼結(jié)構(gòu)的施工周期短，提高了資金投資的效益和施工現(xiàn)場(chǎng)文明。

所謂異型柱框架體系是指全部或部分采用L字型，+字型，Z字型及一字型等非矩形截面柱與矩形或T型截面組成的梁柱結(jié)構(gòu)體系。

1 異型框架的結(jié)構(gòu)應(yīng)用

1．1 異型柱的框架主要優(yōu)點(diǎn)

1）柱的平面布置很靈活，異型柱結(jié)構(gòu)的圍護(hù)墻都是非承重的輕質(zhì)隔墻，受建筑的限制較少，可以滿足業(yè)主對(duì)大開(kāi)間建筑的需求。

2）異型柱框架與矩形框架相比，抗震性能有明顯的提高，質(zhì)量減輕是其抗震提高的主要原因，此外，抗側(cè)剛度對(duì)抗震性能的提高也有一定的影響。

3）鋼結(jié)構(gòu)異型柱框架避免了混凝土的陰角和陽(yáng)角部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象和地震時(shí)的破壞嚴(yán)重。

1．2 異型柱的框架的結(jié)構(gòu)布置

隨著生活水平的提高，人們對(duì)住房的要求越來(lái)越高，由于異型柱框架具有室內(nèi)無(wú)柱楞，不妨礙家具的擺設(shè)，可增加使用面積4%-8%，可選擇填充墻的墻體材料等優(yōu)點(diǎn)。

1．3 異型柱的構(gòu)造措施

異型柱框架的構(gòu)造應(yīng)滿足現(xiàn)行國(guó)家結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，施工規(guī)范的基本要求?？紤]到異型柱的特點(diǎn)，應(yīng)采取下面的構(gòu)造措施，在結(jié)構(gòu)體系上，應(yīng)從嚴(yán)把握概念設(shè)計(jì)的原則要求，力求結(jié)構(gòu)平面規(guī)整，結(jié)構(gòu)剛度均勻，構(gòu)件傳力直接,明確，最好不做錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，柱的軸壓比應(yīng)滿足一定的要求，并應(yīng)當(dāng)適當(dāng)修改。

異型柱框架的構(gòu)造，T型柱的可以采用一個(gè)工字鋼和T型鋼焊接成，根據(jù)具體的墻體的厚度，采用適當(dāng)?shù)奶畛洳牧?，使柱體和墻體形成有機(jī)的整體，在美觀的同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力的集中的現(xiàn)象。

2 異形柱的計(jì)算方法

2．1 剛度等效原則

對(duì)于多高曾框架來(lái)說(shuō)，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析影響最大的是柱子的形心主軸慣性矩，而截面面積和抗扭矩影響很小，因此只要保證異形柱形心主軸慣性矩正確進(jìn)入電算程序中局部坐標(biāo)系下的單元?jiǎng)偠染仃?，就能較準(zhǔn)確的計(jì)算出異形柱框架的內(nèi)力和變形，為了使現(xiàn)有的高層鋼結(jié)構(gòu)分析軟件在計(jì)算異形柱框架能夠反應(yīng)這一要求，應(yīng)該按照等效剛度的原則。

2．2 采用中國(guó)建科院剛結(jié)構(gòu)軟件STS和SATWE-8程序直接對(duì)異形柱進(jìn)行計(jì)算。

3 各種異形柱的比較

由于應(yīng)用的結(jié)構(gòu)具體的位置不同，各種異形柱的所受外力有很大的區(qū)別，各異形柱的承受的極限形式又不相同，對(duì)于比較各異形柱的經(jīng)濟(jì)性相對(duì)比較困難，在實(shí)際應(yīng)用中只有根據(jù)工程的特點(diǎn)來(lái)具體選擇，本文只簡(jiǎn)單比較各異形柱的力學(xué)性能，應(yīng)離集中部位對(duì)不同作用方向的不同柱有很大的不同，L形的柱截面的絕對(duì)最大剪應(yīng)力的位置稍微偏離截面突變處，對(duì)于T形柱截面，當(dāng)外力作用在對(duì)稱方向時(shí)，最大剪應(yīng)力的位置稍微偏離截面突變處，而外力作用在非對(duì)稱方向時(shí)，最大的剪應(yīng)力仍在截面突變處，+字柱面的最大剪應(yīng)力總在截面突變處。

4 異形柱設(shè)計(jì)的存在問(wèn)題

異形鋼柱是在一般是在工字形截面上增加一個(gè)T形截面，相應(yīng)增加了弱軸方向的截面特性，特別是將鋼梁與鋼柱弱軸的剛性連接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為與柱翼緣連接，優(yōu)于常見(jiàn)設(shè)計(jì)中工字鋼柱在弱軸方向設(shè)外伸連接板的剛性連接，加強(qiáng)了工字鋼柱的弱軸穩(wěn)定，對(duì)結(jié)構(gòu)安全有有利影響，但是在異形柱在結(jié)構(gòu)分析中還存在問(wèn)題，要解決的問(wèn)題有：1）弱軸上增加T型構(gòu)件后，截面特性的確定，2）異型鋼柱局部穩(wěn)定性計(jì)算，3）梁柱節(jié)點(diǎn)與鋼柱形心軸偏離時(shí)整體受力分析（普通桿系計(jì)算軟件你能解決），理想的計(jì)算模型應(yīng)該采用有限元整體建模進(jìn)行內(nèi)力分析，可以解決上述的問(wèn)題，但是建模的工作量太大。

異形柱的設(shè)計(jì)中面臨的另一問(wèn)題，就是異形柱框架在地震作用下破壞嚴(yán)重，異形柱框架在設(shè)計(jì)中存在很多的問(wèn)題：1）異形柱框架結(jié)構(gòu)不對(duì)稱時(shí)，扭轉(zhuǎn)對(duì)其受力的影響2）異形柱框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈塑性分析3）異形柱框架結(jié)構(gòu)在截面設(shè)計(jì)方面的軟件的開(kāi)發(fā)。異形柱在地震的破壞的主要原因可歸納為：1）異形柱框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法不完善，2）異形截面柱的強(qiáng)度有別別于普通的規(guī)則柱，3）異形截面柱的破壞形態(tài)不同于規(guī)則的鋼結(jié)構(gòu)柱。

5 異形柱框架的發(fā)展

我國(guó)自1949年后，鋼結(jié)構(gòu)就在大跨重型工業(yè)廠房，大型公共建筑和高聳結(jié)構(gòu)中就得到了應(yīng)用，尤其在近20年來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)更加應(yīng)用于土木工程中，隨著我國(guó)科研和設(shè)計(jì)人員的不斷探索和研究，出現(xiàn)了新的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，異形框架柱就是其中的一種。在科技的進(jìn)步和人民生活水平的提高，鋼結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于高層住宅中，得到了較好的效果。由于鋼結(jié)構(gòu)本身的一些特點(diǎn)，將會(huì)越來(lái)越多的運(yùn)用到高層住宅中去，由于住宅的特殊要求和審美觀念的要求，我們相信異形框架柱將在高層鋼結(jié)構(gòu)住宅中擔(dān)當(dāng)重要的結(jié)構(gòu)體系，異形柱也將的到更高的認(rèn)識(shí)和研究。為了更好的應(yīng)用該結(jié)構(gòu)體系，我們認(rèn)為應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：1）通過(guò)回訪，及時(shí)總結(jié)已建成的運(yùn)用該結(jié)構(gòu)體系的住宅經(jīng)驗(yàn)2）加快相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范，規(guī)程的制定和修改，使與鋼結(jié)構(gòu)異形柱有關(guān)的所有部門(mén)和人員工作起來(lái)有據(jù)可依，3）重視有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)住宅的技術(shù)人員的教育和培訓(xùn)，提高專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍的素質(zhì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)住宅是今后發(fā)展的一個(gè)方向，隨著科技的進(jìn)步，審美觀念改變必然使的鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑不斷的去擴(kuò)展自身的表達(dá)語(yǔ)匯而尋求發(fā)展。我們提倡的是拋棄風(fēng)格，從結(jié)構(gòu)的理性主義出發(fā)，從現(xiàn)代和傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)中吸取精華，創(chuàng)造出技術(shù)和藝術(shù)有機(jī)融合的鋼結(jié)構(gòu)住宅的精品建筑。我們要分清楚，鋼結(jié)構(gòu)異形柱框架是建筑中承重體系和服務(wù)部分，它不是建筑使用中的主要部分，鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)首先要遵循住宅建筑設(shè)計(jì)的一般原則，然后才是發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

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