巨型框架結構梁柱節(jié)點彎矩與轉角關系研究

白　松　尹新生

(吉林建筑大學土木工程學院,長春　130118)

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巨型框架結構梁柱節(jié)點彎矩與轉角關系研究

白松尹新生

(吉林建筑大學土木工程學院,長春130118)

摘要：近年來,隨著我國建筑結構的飛速發(fā)展,巨型框架結構建筑體系已經(jīng)成為各大建筑院校所關注的焦點,但我國對巨型結構體系的研究還非常少,因此,發(fā)展和完善巨型框架結構體系的設計理念十分必要且具有重要價值.本文通過介紹巨型框架結構體系在國內外的應用及發(fā)展概況,同時，基于國內外的相關理論總結出梁柱連接組合節(jié)點彎矩和轉角的關系,并且繪制出彎矩和轉角關系的曲線.

關鍵詞：巨型框架結構體系；梁柱節(jié)點；彎矩與轉角關系

0引言

隨著中國經(jīng)濟工商業(yè)的發(fā)展,城市化進程的加快,以及社會生產(chǎn)力的提高,人口越來越密集,這時候就需要來解決日益緊張的住房問題,但由于建筑涉及到的高度增加,勢必會影響風荷載的增大,普通的樓房建筑涉及到環(huán)保、節(jié)能等條件時,顯然已經(jīng)不適合.這時候就有了適應能力強、剛度性強、整體擁有良好抗震性的巨型框架結構成為建筑發(fā)展的新趨勢.巨型框架結構作為建筑行業(yè)的新興體系,因其自身的特點,已經(jīng)被國內外的建筑行業(yè)所關注,并在諸多工程中應用,具有非常好的發(fā)展前景.

1巨型框架結構

1.1　巨型結構體系

巨型結構建筑也稱主次結構建筑,主體結構是由柱間距較大的立體巨柱(巨型柱)及較大的巨梁(巨型梁)構成,一般梁柱處在建筑的周邊,巨型柱一般由樓、電梯井、大面積實體柱組成,巨型梁一般10層或者15層架設一道,在兩大層空間之間設置次結構,也就是普通的框架結構.

1.1.1巨型結構的分類

巨型結構的建筑根據(jù)受力形式不同分為:巨型框架結構、巨型桁架結構和巨型懸掛結構3種基本類型.

若按建筑材料可分為:巨型混凝土結構、巨型鋼骨鋼筋混凝土結構、巨型鋼—混凝土混合結構和巨型鋼結構.

1.1.2巨型結構的特點

巨型結構體系具有其本身的特殊性及結構的可變性,所以巨型結構體系在目前可以被充分利用,符合當今建筑的發(fā)展更新需求,其特點如下:

(1) 可以使整體建筑內部有多樣化的功能.現(xiàn)代化的建筑有時需要各種各樣的活動空間,但建筑的功能往往與正常的結構布局相互矛盾,巨型結構的建筑解決了這一矛盾,可以使巨型建筑具有多樣化的功能.由于次框架的小柱不再是主要的受力構件,所以兩大層之間次框架中的小柱結構豎向布局可以不連續(xù),要想增大活動空間,可在橫向大梁處少設小柱,從而設置購物中心、游樂場、電影院等這種需要大空間的公共設施場所;

(2) 結構和材料方面可以多樣化組合.由于巨型結構具有兩種結構即主次結構,所以它可以使主結構和次結構使用不同的材料和不同的結構形式.巨型結構的主結構如果使用了高強度的材料,就可以采用普通強度的材料去做次結構.結構方面也一樣,主結構采用框架結構的時候,次框架就可以采用懸掛結構;

(3) 能夠節(jié)省材料、造價低.造價低、節(jié)省材料這兩方面可以從巨型結構的建筑里體現(xiàn)出來,雖然說整體的梁柱的截面積大,次框架卻只承受幾層的豎向荷載,所以,其截面尺寸比大多數(shù)同等高度尺寸的其它普通類型建筑小,因此節(jié)省材料,降低造價;

(4) 可以縮短施工工期.巨型結構施工時,主結構可以優(yōu)先施工,施工完成后,次結構施工時可以多項施工同時進行,這樣既可加快施工速度,又可縮短工期.

所以巨型結構不但可以使建筑功能多樣化,還可以在保證建筑整體的剛度的前提下減少材料和造價,為現(xiàn)代化建筑發(fā)展打下基礎.

1.1.3巨型框架結構受力傳導方式

在巨型框架結構中,主框架所承受的是主要荷載,普通框架則承擔次框架內樓面荷載,通過次框架把受到的力傳遞給巨型柱和巨型梁,當然傳力路徑不是簡單的梁柱路徑,豎向受到的荷載會傳遞給主框架的巨型梁,最后把豎向受到的力通過主框架傳給地基.側向受力是主框架主要承受的,原因是主框架遠遠的大于次框架.

1.1.4巨型框架結構各構件的連接方式

巨型框架結構各構件連接方式都應是剛接,靠整體的混凝土澆筑和正確的鋼筋錨固完成.混凝土框架柱和框架梁的連接一定要符合抗震設計的構造錨固,至于其它位置構件的連接鋼筋可以按照非抗震設計的構造錨固[1].

1.1.5巨型框架結構在國內外的發(fā)展

在我國應用巨型結構的建筑還不是很多,只有一些發(fā)展快的城市才有,混凝土巨型框架結構更是少之又少,雖然對于我國的發(fā)展現(xiàn)狀來講,巨型結構建筑還不會普及到各個地區(qū),但不久的將來一定會成為我國主流的建筑.現(xiàn)如今我國已建成的巨型框架結構建筑均為鋼筋混凝土結構.巨型框架結構主框架的大梁橫跨度很大,承受的各向荷載又很大,因為控制巨型梁的變形可節(jié)約材料,所以通常會對其施加一些預應力.

對于國外的巨型結構建筑而言,很多發(fā)達國家已建設了好多巨型結構的標志性建筑物,而且非常實用,經(jīng)濟發(fā)展也有了很大的提升,為許多國家做好了先例.

1.2　巨型結構建筑舉例

表1列舉了國內外的巨型結構建筑.

表1 國內外的巨型結構建筑

2巨型結構的設計原則

(1) 巨型結構的豎向荷載都會傳遞給整個建筑的邊柱,由四周的邊柱來承擔豎向的荷載力,并且用以平衡側向的荷載對邊柱向上的力;

(2) 巨型結構中所有的巨型柱、巨型梁和所有的巨型支撐構件承擔著豎向荷載的同時,也承受著側向的荷載;

(3) 巨型結構的結構主框架和次框架層次分明,并且可以分段施工,所以主次結構可以變通的處理;

(4) 巨型結構的結構平面布置在材料相同的情況下,需要滿足兩個主軸方向的等效慣性矩最大原則.

3巨型結構的主次框架

3.1　主次框架的連接方式

隨著生產(chǎn)力的提高和科學技術的發(fā)展,鋼結構和混凝土結構得到了廣泛的應用,各個地域的巨型框架結構都拔地而起,甚至出現(xiàn)了混合巨型框架結構形式,即主框架為鋼筋混凝土結構,次框架采用鋼結構,這樣可減輕結構的自重,提高結構空間的利用率.

鋼結構次框架與鋼筋混凝土主框架分別采用剛接、半剛接、鉸接3種連接方式：

剛接是指構件與構件之間是一個整體,建筑受到破壞后,巨型梁和巨型柱之間的夾角為0,受到的內力會從柱傳遞給巨型梁,剛性連接一般應不會產(chǎn)生明顯的連接夾角變形;

鉸接體現(xiàn)整體結構受力后,巨型梁和巨型柱之間可自由轉動,沒有其它約束力,各個節(jié)點之間相互獨立,巨型梁不能將彎矩傳遞到柱上；

半剛性連接則是處在剛接和鉸接之間的一種連接方式,是現(xiàn)在很多鋼筋混凝土結構和鋼結構混合的連接方法,即主框架為混凝土結構,次框架為鋼結構時,此類方法只具有有限的轉動角度和剛度,可以承受彎矩,并且連接所受的彎矩和連接轉動的剛度決定著連接的各個構件之間的角度.

3.2　節(jié)點處剛接、半剛接、鉸接3種連接方式中彎矩與轉角的關系

美國AISC1978年規(guī)范,根據(jù)梁端的連接方式將連接分為3類：剛性連接、半剛性連接、簡支連接.歐洲規(guī)范考慮了EC3連接與梁的塑性彎矩和轉角的相對關系，以及鋼框架中是否設置支撐是決定節(jié)點成為剛性節(jié)點、半剛性節(jié)點和柔性節(jié)點重要因素.我國規(guī)范只規(guī)定了剛接和鉸接[2],但實際并不存在完全的剛接和鉸接,這也是我國規(guī)范的一個盲點.

很多因素與半剛性連接的轉動剛度有關,譬如節(jié)點連接的形式、巨型梁和巨型柱的尺寸等,其本身彎矩與轉角的關系為非線性,論證了它的復雜性的連接.從上世紀60年代起,世界各地的學者嘗試采用各種方法對不同的半剛性連接做了大量的研究,并且就分類界限做了較為鮮明的規(guī)定.現(xiàn)在人們常用的分類系統(tǒng)總結如下:Bjorhovde等人提出的分類系統(tǒng)、EC3分類系統(tǒng),Wai-Fah Chen等人提出的分類系統(tǒng)[3-5].

圖1 M-θ關系的曲線

上述幾種分類系統(tǒng)并沒有考慮柱與梁的剛度比,而且節(jié)點的剛度呈階梯形式分布,在半剛性區(qū)節(jié)點剛度的突變處節(jié)點的轉角產(chǎn)生了細微的變化,使該建筑的柱子有效高度有了很多的變化.下面的方法解決了線性方法的缺陷[6].

式中,r0為連接初始剛度;θ0為相對塑性轉角;Mu為節(jié)點承受的極限彎矩;n為考慮M-θ關系的曲率參數(shù).

根據(jù)上述公式關系不難看出M-θ的關系，利用其關系繪制出M-θ關系的曲線，如圖1所示.

根據(jù)圖1得出,轉角的改變使得彎矩也發(fā)生了改變.轉角越大,其節(jié)點承受的彎矩越小,越偏向于鉸接連接；轉角越小,其節(jié)點承受的極限彎矩越大，越偏向于剛性連接.

4結語

巨型框架結構是一種新型的建筑結構,擁有很多的發(fā)展前景,本文闡述了巨型結構體系的分類、特點、整體結構的受力傳導和主次框架的連接方式,以及該種建筑的國內外發(fā)展情況和應用實例,同時，根據(jù)國內外的規(guī)范總結了梁柱節(jié)點處剛接、半剛接、鉸接3種連接方式的彎矩和轉角的關系.由此可以預測，巨型框架結構是建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢,經(jīng)過合理的設計勢必可以得到經(jīng)濟合理、性能優(yōu)良的收獲,其前景是無法估量的,而且現(xiàn)在高層和超高層建筑都需要滿足側向力的要求,巨型框架結構建筑更容易滿足這一條件,在普通建筑上有了新的突破,為未來城市的新型建筑打下堅實的基礎.

參考文獻

[1] 秦衛(wèi)紅,惠卓,呂志濤.巨型框架結構的設計方法初探[J].建筑結構,2001,31(7):43-47.

[2] 建筑抗震設計規(guī)范(GB5001-2001)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.

[3] 廖超.鋼筋混凝土巨型框架結構受力性能分析[D].湖南長沙:湖南大學,2006.

[4] Bjorhovde,Colson R,Brozzetti A.Classification System for Beam-to-Column Connections[J],Journal of Structural Engineering,1990,116(11):76-79.

[5] 俞偉根.預應力混凝土框架抗震性能及抗震設計方法的研究[D].南京:東南大學,1995.

[6] 左振波,左振明,左春仁.高層建筑巨型框架結構應用及其受力特征[J].大連大學學報,2003,24(2):35-37.

Analysis the Mega-frame Structures of Beam-column Connection is Discussed with Regard the Bending Moment and the Rotation Relationship

BAI Song，YIN Xin-sheng

(SchoolofCivilEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：In recent years,along with the continuously rapid development of building structure,mega-frame structures has become a major construction of colleges and universities is becoming more and more attention in hot spots,however, the research on the seismic of the mega-frame structures in our country is very small,so it is very important to development and improvement of the design theory of mega-frame structure has the value.By introducing applications of mega-frame structures and development at domestic and foreign,based on professional theories summed up the relationship between moment and rotation of beam-column connections node.Drawing the relationship between moment and rotation curves.

Keywords:mega-frame structures；beam-column connection；moment-rotation relation

中圖分類號：TU 318

文獻標志碼：A

文章編號：2095-8919(2015)02-0017-04

作者簡介：白松(1988～),男,吉林省長春市人,在讀碩士研究生.

收稿日期：2014-10-24.