淺析型鋼混凝土異形柱設(shè)計(jì)方法

摘要:本文從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，研究截面尺寸的選取，分析SRC異形柱最小混凝土保護(hù)層厚度，截面型鋼的配置方式和合理的截面配鋼率。選擇合理的截面、配鋼形式及配鋼率，對(duì)減小設(shè)計(jì)工作量具有很重要的意義。

關(guān)鍵詞:型鋼混凝土;異形柱;設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào):TU375

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1008-0422(2009)11-0109-02

1前言

SRC異形柱的設(shè)計(jì)和普通SRC結(jié)構(gòu)一樣，都是首先根據(jù)相關(guān)要求或經(jīng)驗(yàn)擬定構(gòu)件的截面的形式、尺寸、配鋼方式、配鋼量、鋼筋和箍筋、混凝土強(qiáng)度等級(jí)，再驗(yàn)算截面是否滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力要求，若不滿(mǎn)足要求，則重新選擇結(jié)構(gòu)構(gòu)件的型鋼配置、鋼筋、混凝土強(qiáng)度等級(jí)，驗(yàn)算其承載力，按以上步驟反復(fù)計(jì)算，直至構(gòu)件能滿(mǎn)足體系的要求為止。

2截面形式和尺寸

異形柱常見(jiàn)的截面形式有T形、L形和十形三種。這是根據(jù)建筑使用功能和建筑設(shè)計(jì)布置的要求而定的，一般角柱為L(zhǎng)形，邊柱為T(mén)形，中柱為十形。為了保持房間不露出柱楞的優(yōu)點(diǎn)，SRC異形柱的柱肢與隔墻等厚，考慮減輕結(jié)構(gòu)自重、環(huán)保節(jié)能等因素，柱肢的厚度一般不會(huì)大，在我國(guó)通常采用200mm及240mm兩種，肢高不應(yīng)小于500mm，并且柱的高厚比不能大于4。常見(jiàn)的肢高厚比有2.5， 3.0， 3.5， 4.0幾種。實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，在建筑布置允許的情況下，盡可能的采用較大肢高厚比的異形柱，當(dāng)然還要滿(mǎn)足肢高厚比不大于4的要求。

3混凝土保護(hù)層厚度

3.1混凝土保護(hù)層的作用

SRC結(jié)構(gòu)中，型鋼被混凝土包裹在里面。型鋼外邊緣到混凝土表面的最小距離稱(chēng)為混凝土保護(hù)層厚度。它具有以下作用:

(1)對(duì)型鋼和鋼筋起到保護(hù)的作用，改善了構(gòu)件的防火、防腐、防銹能力，提高了耐久性。

(2)維持型鋼和混凝土之間的握裹力，提供型鋼和混凝土之間的粘結(jié)力，使混凝土與型鋼共同工作。

(3)對(duì)型鋼起到約束作用，能有效地防止型鋼發(fā)生屈曲和失穩(wěn)，提高構(gòu)件的剛度，所以SRC結(jié)構(gòu)通常不需要焊接任何防止鋼材局部屈曲的加勁肋。

3.2混凝土保護(hù)層厚度的確定

要合理確定SRC異形柱的混凝土保護(hù)層厚度必須同時(shí)滿(mǎn)足以下幾個(gè)約束條件，方能達(dá)到安全、適用、經(jīng)濟(jì)的目的。

3.2.1保護(hù)層混凝土不發(fā)生失穩(wěn)的最小厚度

SRC異形柱作為一種新型組合結(jié)構(gòu)，確保型鋼與混凝土保持協(xié)同工作是十分關(guān)鍵的問(wèn)題，如果混凝土保護(hù)層厚度過(guò)小，可能會(huì)出現(xiàn)在型鋼尚未達(dá)到屈服強(qiáng)度前，保護(hù)層混凝土屈曲失穩(wěn)破壞，從而導(dǎo)致構(gòu)件承載力的降低。把混凝土保護(hù)層視為一塊薄板，根據(jù)板的彈塑性屈曲理論，可以推導(dǎo)出混凝土在達(dá)到受壓強(qiáng)度以前，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最小保護(hù)層厚度。

把SRC異形柱中型鋼翼緣外側(cè)的混凝土保護(hù)層視作一塊寬度為bf、長(zhǎng)度為lc ，厚度為cs的混凝土薄板，根據(jù)柱的受力狀態(tài)，可將此混凝土板簡(jiǎn)化為三邊簡(jiǎn)支、一邊自由的單向均勻受壓板，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

根據(jù)板的彈塑性穩(wěn)定理論[fgl，此混凝土板的彈塑性屈曲應(yīng)力為:

(1)

式中:E}為混凝土彈性模量， ，v為混凝土的泊松比，一般取0.2;η為板的彈塑性屈曲系數(shù)， ;Et為混凝土的切線(xiàn)模量， 。

混凝土的彈塑性屈曲應(yīng)力的計(jì)算公式(1)中，彈塑性系數(shù)η的取值是個(gè)核心問(wèn)題，它與混凝土的切線(xiàn)模量E}有關(guān)，能求出混凝土屈曲時(shí)的切線(xiàn)模量Et，也就能求出屈曲應(yīng)力?？梢哉J(rèn)為當(dāng)Et = 7MPa時(shí)，己是一個(gè)很小的值，從混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)看，此時(shí)混凝土的塑性變形已得到充分的發(fā)展，此時(shí)求出的應(yīng)力可近似認(rèn)為是混凝土板的彈塑性屈曲應(yīng)力。要保證混凝土板在達(dá)到受壓強(qiáng)度之前，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，只要滿(mǎn)足屈曲應(yīng)力小于或等于抗壓強(qiáng)度即可，即。由此可推導(dǎo)出，確?；炷涟逶谶_(dá)到受壓強(qiáng)度之前，不發(fā)生失穩(wěn)破壞的最小保護(hù)層厚度的計(jì)算式為:

(2)

美國(guó)學(xué)者Richard. Furlong曾根據(jù)板的彈性屈曲理論，同時(shí)考慮了混凝土在受載后期的彈塑性性能，在缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，將混凝土的切線(xiàn)模量Et取一個(gè)很小的值，取式

，推導(dǎo)出型鋼混凝土柱的臨界保護(hù)層厚度為:

(3)

式中:為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度，換算成我國(guó)立方體強(qiáng)度為:

(4)

根據(jù)式(2)和式(3)可分別求出對(duì)應(yīng)不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)時(shí)的混凝土保護(hù)層厚度與型鋼翼緣寬度的臨界相對(duì)值，見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，確保不發(fā)生失穩(wěn)破壞的最小保護(hù)層厚度的取值，與型鋼翼緣寬度和混凝土的強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)。

2.2.2混凝土保護(hù)層開(kāi)裂的臨界保護(hù)層厚度

試驗(yàn)表明，當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度較小時(shí)，混凝土保護(hù)層容易開(kāi)裂，從而導(dǎo)致型鋼與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度降低，混凝土保護(hù)層在一定范圍內(nèi)厚度越大，粘結(jié)力越大，但是當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度達(dá)到一定厚度而不開(kāi)裂時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度也不會(huì)隨著保護(hù)層厚度的增大而增加。因此，從確?；炷帘Ｗo(hù)層不開(kāi)裂的角度，可以確定一個(gè)最小保護(hù)層厚度。為了能求出最小開(kāi)裂混凝土保護(hù)層厚度，本文作了以下假定:

(1)開(kāi)裂面混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度;

(2)混凝土對(duì)翼緣的擠壓力均勻分布在翼緣上;

(3)粘結(jié)力失效前，型鋼向混凝土中擴(kuò)散力的角度是45°;

(4)混凝土沿翼緣肢尖45°方向開(kāi)裂。

根據(jù)力的平衡條件得:

(5)

(6)

式中 為翼緣邊長(zhǎng)上的平均粘結(jié)應(yīng)力，根據(jù)C. W. Roeder的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析得:

(7)

將(7)式代入(6)式可求得:

(8)

由(8)式可見(jiàn):混凝土保護(hù)層開(kāi)裂時(shí)的臨界保護(hù)層厚度與型鋼翼緣的寬度有關(guān)。

2.2.3從耐久性角度考慮混凝土保護(hù)層厚度

構(gòu)件的耐久性與混凝土保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)以及構(gòu)件使用環(huán)境有關(guān)，一般混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，環(huán)境好，混凝土保護(hù)層厚度則可越小，就能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的耐久性要求。參照我國(guó)現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于50年設(shè)計(jì)使用年限的SRC異形柱的混凝土最小保護(hù)層厚度取值。

2.2.4從防火性能、結(jié)構(gòu)剛度的角度考慮混凝土保護(hù)層厚度

世界上早期的SRC結(jié)構(gòu)是出于對(duì)鋼柱的防火性要求，而將它們置于混凝土內(nèi)，這也是SRC結(jié)構(gòu)的起源，防火性能好是SRC結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)之一，混凝土保護(hù)層厚度直接影響到防火性能的好壞，對(duì)于有防火要求的異形柱框架結(jié)構(gòu)，參照文獻(xiàn)，SRC異形柱，當(dāng)混凝土保護(hù)層厚為60mm時(shí)，可耐火3h，當(dāng)混凝土保護(hù)層厚為50~時(shí)，可耐火2h。早期的SRC結(jié)構(gòu)只考慮外包混凝土作為防火層而不考慮其對(duì)受力性能的影響，后來(lái)通過(guò)大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)混凝土外殼，使柱的強(qiáng)度、剛度有顯著提高，從提高結(jié)構(gòu)剛度的角度出發(fā)，規(guī)定了混凝土保護(hù)層厚度為40mma。

2.3 SRC異形柱混凝土保護(hù)層厚度的取值

綜合以上各方面的分析，可見(jiàn)型鋼翼緣寬度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)保護(hù)層厚度的取值有直接影響。只要確定型鋼翼緣寬度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、構(gòu)件的使用環(huán)境、耐久性要求以及防火性能要求，就可以確定混凝土保護(hù)層厚度。首先分別從以上幾個(gè)方面進(jìn)行考慮，然后取一個(gè)最大值就是該異形柱的混凝土保護(hù)層厚度。

結(jié)合實(shí)際工程，在我國(guó)常用異形柱的柱肢厚度有240mm及200mm兩種。因此能夠包含在異形柱中型鋼翼緣寬度同樣不會(huì)很大。對(duì)于型鋼翼緣側(cè)面的混凝土保護(hù)層厚度，由于翼緣本身的厚度不大，可以參照鋼筋混凝土規(guī)范采用，主要需要研究解決的是翼緣正面一側(cè)的混凝土保護(hù)層厚度。為了便于說(shuō)明問(wèn)題，以下給出算例，以起到示范作用，在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)具體情況可以參照算例的方法計(jì)算不同情況的混凝土保護(hù)層厚度。

3截面配鋼形式及配鋼率

本課題組的試驗(yàn)研究己經(jīng)表明，SRC異形柱與鋼筋混凝土異形柱相比，截面承載力明顯提高、構(gòu)件的抗震性能明顯改善。SRC異形柱的截面承載力與與截面的配鋼形式、配鋼位置、配鋼率等因素有關(guān)。而且異形柱的柱肢較窄而細(xì)長(zhǎng)，且保護(hù)層厚度大，因此，進(jìn)一步深入研究SRC異形柱合理的配鋼形式具有重要的意義。

3.1配角鋼

根據(jù)已有的試驗(yàn)，采用焊接熱軋角鋼，肢厚為300mm，肢高厚比為30L形異形柱在肢端和翼緣腹板交接處加入了角鋼，T形異形柱在柱子的翼緣加入了角鋼，在腹板部分配的是工字鋼，其它都是按構(gòu)造配筋。與不加型鋼的相同截面尺寸的異形柱構(gòu)件相比，加入了型鋼的異形柱正截面的承載能力明顯提高很多。

3.2配槽鋼

槽鋼或者是加厚腹板的槽鋼配在各柱肢端部，然后在槽鋼翼緣外側(cè)焊接腹桿或腹板，在空間上形成析架。采用這種配鋼方式，不但空間鋼架自身的剛度大，并且縱向槽鋼與腹桿之間形成一個(gè)箍，對(duì)內(nèi)部混凝土起到一定的約束作用，從而更有利于提高構(gòu)件的承載力和延性。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，對(duì)于配置槽鋼的SRC異形柱，承載力提高很大，延性好，有利于抗震。

此外，配置槽鋼可以不配縱向鋼筋，但箍筋對(duì)約束混凝土作用很大，仍然是必須的。配槽鋼形式的SRC異形柱加工簡(jiǎn)單，施工相對(duì)方便，有很大的推廣價(jià)值。

3.3配T形型鋼

配T形型鋼SRC異形柱，根據(jù)本文的試驗(yàn)研究結(jié)果，SRC異形柱的配鋼，除在各肢的肢端配有縱向型鋼外，且把各肢端型鋼用鋼板或者角鋼連接起來(lái)了，在空間形成了一個(gè)析架。這種配鋼形式在整體受力上優(yōu)于沒(méi)有焊接腹桿的，有利于提高柱子的正截面的承載力與剪切承載力。分析計(jì)算數(shù)據(jù)，能明顯得出承載力提高很多，且可看出偏心距越大的，其承載力提高得越多。

3.4配鋼率

配鋼率對(duì)型鋼混凝土異形柱的承載力有很大的影響。如果型鋼的配鋼率過(guò)低，則達(dá)不到承載力和抗震性能比RC異形柱有明顯提高的目的;如果型鋼配鋼率太大，必定會(huì)減少混凝土的面積，從而影響到混凝土對(duì)型鋼的握裹作用，而且施工時(shí)太多的型鋼會(huì)導(dǎo)致混凝土澆筑不密實(shí)，降低型鋼與混凝土的協(xié)同工作能力。

我國(guó)現(xiàn)行的兩部規(guī)程對(duì)型鋼配鋼率規(guī)定也不一致，《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(YB9082-97)，型鋼的配鋼率須大于2%且不大于15%;而《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138-2001)，規(guī)定受力型鋼含鋼率不宜小于4%，也不宜大于10%。根據(jù)本文的試驗(yàn)，試件的配鋼率在3.75%-11.21%時(shí)型鋼和混凝土還是能保持較好的協(xié)同工作。一般來(lái)說(shuō)，配鋼率在4%-12%之間都是可行的。本文建議較為合理配鋼率為5%-8%。

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