宋金祥,秦士洪,李唐寧

(1.廣州市科城建筑設(shè)計(jì)有限公司,廣州 510000;2.重慶大學(xué),重慶400030)

我國的規(guī)范一般采用增大柱端彎矩設(shè)計(jì)值的方法來推遲柱端的屈服,但在抗震規(guī)范相關(guān)條文中沒有考慮柱兩側(cè)與抗震驗(yàn)算方向垂直的相交梁的抗扭能力。這種“強(qiáng)柱弱梁”的要求對于普通框架節(jié)點(diǎn)而言是可行的,但對于帶邊梁的大跨度預(yù)應(yīng)力平板-異形柱結(jié)構(gòu)及大跨度預(yù)應(yīng)力次梁結(jié)構(gòu)而言,由于跨度較大,垂直于水平力方向的邊梁傳遞給節(jié)點(diǎn)的扭矩不能忽略,它在節(jié)點(diǎn)左右梁端截面逆時針或順時針方向組合的彎矩設(shè)計(jì)值之和中所占的比例較大,因此《規(guī)范》建議的“強(qiáng)柱弱梁”原則是否還適用,值得商榷。本文通過兩榀帶邊梁的大跨度預(yù)應(yīng)力平板-異形柱整體結(jié)構(gòu)試件以及兩榀大跨度預(yù)應(yīng)力次梁整體結(jié)構(gòu)試件在低周反復(fù)水平荷載作用下的試驗(yàn),對有較大邊梁扭矩情況下的柱端彎矩增大系數(shù)進(jìn)行了研究,初步探明了邊梁扭矩對柱端彎矩增大系數(shù)的影響。

1 柱端彎矩增大系數(shù)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象來看,對于預(yù)應(yīng)力平板-異形柱結(jié)構(gòu),受扭邊梁出現(xiàn)大量受扭裂縫,鋼筋應(yīng)力已接近屈服應(yīng)力,但還沒有達(dá)到受扭極限承載能力;對于大跨度預(yù)應(yīng)力次梁整體結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)以受扭邊梁破壞作為試驗(yàn)的結(jié)束,已達(dá)到受扭極限承載能力。因此對這種大跨度結(jié)構(gòu)體系而言,垂直于水平力方向的邊梁的扭矩是比較大的,如果忽略其扭矩,有可能會使柱端組合的彎矩設(shè)計(jì)值略大于甚至小于梁端組合的彎矩、扭矩設(shè)計(jì)值,“強(qiáng)柱弱梁”機(jī)制有可能不會實(shí)現(xiàn)。

因此對有較大邊梁扭矩情況下的大跨度結(jié)構(gòu),柱端組合的彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)符合下式要求

一級框架結(jié)構(gòu)及9度時尚應(yīng)符合

式中∑Tb-節(jié)點(diǎn)左右與抗震驗(yàn)算方向垂直的相交梁端截面反時針或順時針方向組合的扭矩設(shè)計(jì)值之和;∑Tbua-節(jié)點(diǎn)左右與抗震驗(yàn)算方向垂直的相交梁端截面反時針或順時針方向?qū)嵟涞恼孛婵拐鹗芘こ休d力所對應(yīng)的扭矩值之和,根據(jù)實(shí)配鋼筋面積和材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定。

2 帶邊梁的預(yù)應(yīng)力平板結(jié)構(gòu)

由于柱底全部采用鉸接,通過柱底水平傳感器可以測出柱底水平反力F,該水平反力乘以柱高即得柱端實(shí)際彎矩。

先按公式(3)、(4)劃分柱上板帶,再根據(jù)板帶內(nèi)鋼筋實(shí)測應(yīng)變值,按《規(guī)范》提供的計(jì)算純彎構(gòu)件的正截面承載能力公式求得,板帶內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋的貢獻(xiàn)也必須考慮在內(nèi)。所有鋼筋及混凝土的材料特性均按實(shí)測值計(jì)算。

邊等代框架

中等代框架

2.3 受扭邊梁的翼緣寬度

我國《規(guī)范》認(rèn)為受扭梁翼緣寬度可取3倍的板厚,但這是從普通框架結(jié)構(gòu)的受力性能出發(fā)的,對大跨度預(yù)應(yīng)力平板-異形柱(短肢墻)結(jié)構(gòu)并不一定適用。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來看,到極限狀態(tài)時,板上出現(xiàn)兩條貫通的主裂縫,其形狀見圖1(右邊的裂縫形狀與左邊完全對稱。從圖中可以看出,中間“一”字形短肢剪力墻附近的裂縫是沿梁邊開裂,并且?guī)缀跖c受扭梁平行。在角柱處,裂縫從柱長肢處開始,以大約呈45°的方向發(fā)展。通過以上分析,對于大跨度平板-異形柱(短肢剪力墻)結(jié)構(gòu),我個人認(rèn)為受扭梁的翼緣寬度可以這樣取值:“一”字形短肢剪力墻兩側(cè)的受扭梁梁端,不考慮板的影響,即按矩形截面計(jì)算;異形柱兩側(cè)的受扭梁梁端的翼緣寬度b可按公式5計(jì)算。公式(5)是按圖2所示的相對關(guān)系推導(dǎo)的,圖中H即為異形柱兩側(cè)的受扭梁梁端的翼緣寬度。

式中各參數(shù)的含義見圖3,其中b、b′為垂直于受扭梁方向的尺寸;a、a′為平行于受扭梁方向的尺寸,所有截面均為異形柱截面。

2.4 邊梁扭矩與柱端彎矩增大系數(shù)

因?yàn)門b是界于開裂扭矩和極限扭矩之間的中間狀態(tài),難以確定,求出后按式(6)得出。

根據(jù)以上思路,求出各項(xiàng)數(shù)據(jù),見表1。

3 大跨度預(yù)應(yīng)力次梁樓蓋結(jié)構(gòu)體系

對于大跨度預(yù)應(yīng)力次梁樓蓋結(jié)構(gòu)體系而言,本次完成的兩榀大跨度預(yù)應(yīng)力次梁樓蓋結(jié)構(gòu)體系抗震性能試驗(yàn)中,采用兩種節(jié)點(diǎn)組合體方案:試件一是預(yù)應(yīng)力次梁和主梁分別在兩個方向與框架柱整接;試件二是預(yù)應(yīng)力次梁在一個方向僅與主梁整接,在另一個方向由主梁與框架柱整接,因此試件二中柱上無過柱子次梁,故本文不討論試件二中柱柱端彎矩增大系數(shù)的修正。

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)(推荷載下三倍位移以內(nèi)),三者之間的關(guān)系如下表,其中由支座傳感器值計(jì)算的實(shí)驗(yàn)柱端彎矩(kN.m)由鋼筋應(yīng)變反算的實(shí)驗(yàn)柱端彎矩(kN.m)由鋼筋應(yīng)變反算的實(shí)驗(yàn)過柱子次梁彎矩(kN.m)由規(guī)范計(jì)算的理論柱端彎矩(kN.m)為邊主梁實(shí)驗(yàn)扭矩(kN.m),具體數(shù)值見表2-表6)。

表1 極限荷載作用下柱端彎矩、等代梁彎矩和邊主梁扭矩對比關(guān)系Tab.1 Comparison among the end-column-moment,the moment of equivalent and the torque of spandrel beam

表2 試件一邊柱一實(shí)驗(yàn)柱端彎矩、過柱子次梁彎矩和邊主梁扭矩值Tab.2 The end-column-moment,the moment of secondary beam on column and the torque of spandrel beam of Specimen one in No.1 edge column experiment

表3 試件一中柱實(shí)驗(yàn)柱端彎矩、過柱子次梁彎矩和邊主梁扭矩值Tab.3 The end-column-moment,the moment of secondary beam on column and the torque of spandrel beam of Specimen one in mid-column experiment

表4 試件一邊柱二實(shí)驗(yàn)柱端彎矩、過柱子次梁彎矩和邊主梁扭矩值Tab.4 The end-column-moment,the moment of secondary beam on column and the torque of spandrel beam of Specimen one in No.2 edge column experiment

表5 試件二邊柱一實(shí)驗(yàn)柱端彎矩、過柱子次梁彎矩和邊主梁扭矩值Tab.5 The end-column-moment,the moment of secondary beam on column and the torque of spandrel beam of Specimen two in No.1 edge column experiment

表6 試件二邊柱二實(shí)驗(yàn)柱端彎矩、過柱子次梁彎矩和邊主梁扭矩值Tab.6 The end-column-moment,the moment of secondary beam on column and the torque of spandrel beam of Specimen two in No.2 edge column experiment

表7 二倍位移時的計(jì)算Tab.7 Calculating of on twice displacement

由上面數(shù)據(jù)可以看出,在二倍位移時,邊主梁扭矩均比較大,因此重點(diǎn)討論在二倍位移的情況下的柱端彎矩增大系數(shù)的修正值α,具體計(jì)算如表7。

4 結(jié)論

1)按我國規(guī)范建議的抗扭極限承載能力公式計(jì)算所得的數(shù)值偏小,因此當(dāng)給定梁的截面及配筋,按公式(4)計(jì)算柱子配筋時,結(jié)構(gòu)將偏于不安全。

2)在進(jìn)行邊主梁的正常使用狀態(tài)驗(yàn)算時,邊主梁在豎向荷載和水平荷載作用下產(chǎn)生的扭矩應(yīng)該分開計(jì)算,取不同的扭矩折減系數(shù),建議對水平荷載產(chǎn)生的扭矩最好不折減。

3)進(jìn)行承載力極限狀態(tài)計(jì)算時,在滿足正常使用極限狀態(tài)的前提下,水平荷載和豎向荷載作用引起的邊主梁扭矩都可以折減,并且最好進(jìn)行最大程度的折減,但折減應(yīng)分開進(jìn)行:豎向荷載作用引起的扭矩折減部分應(yīng)該轉(zhuǎn)移到樓面次梁的跨中彎矩上,而水平荷載作用引起的扭矩折減部分必須轉(zhuǎn)移至與其正交的過柱梁上。

4)雖然本結(jié)構(gòu)體系一般適用于建造8～12層的小高層,但由于是大跨度空間結(jié)構(gòu)體系,抗側(cè)力構(gòu)件幾乎只有普通結(jié)構(gòu)的一半,建議取ηc=1.2。從構(gòu)件設(shè)計(jì)和最后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,這個取值是合理的。

[1]GB 50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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[4]鄭道宏.高效預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)效益與大開間住宅建筑體系選擇[J].四川建筑科學(xué)研究,1999,25(2):3-6.

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