白　松　尹新生

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春　130118)

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巨型框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)彎矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系研究

白松尹新生

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春130118)

摘要：近年來,隨著我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的飛速發(fā)展,巨型框架結(jié)構(gòu)建筑體系已經(jīng)成為各大建筑院校所關(guān)注的焦點(diǎn),但我國(guó)對(duì)巨型結(jié)構(gòu)體系的研究還非常少,因此,發(fā)展和完善巨型框架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)理念十分必要且具有重要價(jià)值.本文通過介紹巨型框架結(jié)構(gòu)體系在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用及發(fā)展概況,同時(shí)，基于國(guó)內(nèi)外的相關(guān)理論總結(jié)出梁柱連接組合節(jié)點(diǎn)彎矩和轉(zhuǎn)角的關(guān)系,并且繪制出彎矩和轉(zhuǎn)角關(guān)系的曲線.

關(guān)鍵詞：巨型框架結(jié)構(gòu)體系；梁柱節(jié)點(diǎn)；彎矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系

0引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)工商業(yè)的發(fā)展,城市化進(jìn)程的加快,以及社會(huì)生產(chǎn)力的提高,人口越來越密集,這時(shí)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(shì)必會(huì)影響風(fēng)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(shí),顯然已經(jīng)不適合.這時(shí)候就有了適應(yīng)能力強(qiáng)、剛度性強(qiáng)、整體擁有良好抗震性的巨型框架結(jié)構(gòu)成為建筑發(fā)展的新趨勢(shì).巨型框架結(jié)構(gòu)作為建筑行業(yè)的新興體系,因其自身的特點(diǎn),已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外的建筑行業(yè)所關(guān)注,并在諸多工程中應(yīng)用,具有非常好的發(fā)展前景.

1巨型框架結(jié)構(gòu)

1.1　巨型結(jié)構(gòu)體系

巨型結(jié)構(gòu)建筑也稱主次結(jié)構(gòu)建筑,主體結(jié)構(gòu)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(gòu)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(shí)體柱組成,巨型梁一般10層或者15層架設(shè)一道,在兩大層空間之間設(shè)置次結(jié)構(gòu),也就是普通的框架結(jié)構(gòu).

1.1.1巨型結(jié)構(gòu)的分類

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

若按建筑材料可分為:巨型混凝土結(jié)構(gòu)、巨型鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、巨型鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)和巨型鋼結(jié)構(gòu).

1.1.2巨型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

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

(1) 可以使整體建筑內(nèi)部有多樣化的功能.現(xiàn)代化的建筑有時(shí)需要各種各樣的活動(dòng)空間,但建筑的功能往往與正常的結(jié)構(gòu)布局相互矛盾,巨型結(jié)構(gòu)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(gòu)件,所以兩大層之間次框架中的小柱結(jié)構(gòu)豎向布局可以不連續(xù),要想增大活動(dòng)空間,可在橫向大梁處少設(shè)小柱,從而設(shè)置購物中心、游樂場(chǎng)、電影院等這種需要大空間的公共設(shè)施場(chǎng)所;

(2) 結(jié)構(gòu)和材料方面可以多樣化組合.由于巨型結(jié)構(gòu)具有兩種結(jié)構(gòu)即主次結(jié)構(gòu),所以它可以使主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)使用不同的材料和不同的結(jié)構(gòu)形式.巨型結(jié)構(gòu)的主結(jié)構(gòu)如果使用了高強(qiáng)度的材料,就可以采用普通強(qiáng)度的材料去做次結(jié)構(gòu).結(jié)構(gòu)方面也一樣,主結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)的時(shí)候,次框架就可以采用懸掛結(jié)構(gòu);

(3) 能夠節(jié)省材料、造價(jià)低.造價(jià)低、節(jié)省材料這兩方面可以從巨型結(jié)構(gòu)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(jià);

(4) 可以縮短施工工期.巨型結(jié)構(gòu)施工時(shí),主結(jié)構(gòu)可以優(yōu)先施工,施工完成后,次結(jié)構(gòu)施工時(shí)可以多項(xiàng)施工同時(shí)進(jìn)行,這樣既可加快施工速度,又可縮短工期.

所以巨型結(jié)構(gòu)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(jià),為現(xiàn)代化建筑發(fā)展打下基礎(chǔ).

1.1.3巨型框架結(jié)構(gòu)受力傳導(dǎo)方式

在巨型框架結(jié)構(gòu)中,主框架所承受的是主要荷載,普通框架則承擔(dān)次框架內(nèi)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(dāng)然傳力路徑不是簡(jiǎn)單的梁柱路徑,豎向受到的荷載會(huì)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(cè)向受力是主框架主要承受的,原因是主框架遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于次框架.

1.1.4巨型框架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的連接方式

巨型框架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件連接方式都應(yīng)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(shè)計(jì)的構(gòu)造錨固,至于其它位置構(gòu)件的連接鋼筋可以按照非抗震設(shè)計(jì)的構(gòu)造錨固[1].

1.1.5巨型框架結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展

在我國(guó)應(yīng)用巨型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)更是少之又少,雖然對(duì)于我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀來講,巨型結(jié)構(gòu)建筑還不會(huì)普及到各個(gè)地區(qū),但不久的將來一定會(huì)成為我國(guó)主流的建筑.現(xiàn)如今我國(guó)已建成的巨型框架結(jié)構(gòu)建筑均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu).巨型框架結(jié)構(gòu)主框架的大梁橫跨度很大,承受的各向荷載又很大,因?yàn)榭刂凭扌土旱淖冃慰晒?jié)約材料,所以通常會(huì)對(duì)其施加一些預(yù)應(yīng)力.

對(duì)于國(guó)外的巨型結(jié)構(gòu)建筑而言,很多發(fā)達(dá)國(guó)家已建設(shè)了好多巨型結(jié)構(gòu)的標(biāo)志性建筑物,而且非常實(shí)用,經(jīng)濟(jì)發(fā)展也有了很大的提升,為許多國(guó)家做好了先例.

1.2　巨型結(jié)構(gòu)建筑舉例

表1列舉了國(guó)內(nèi)外的巨型結(jié)構(gòu)建筑.

表1 國(guó)內(nèi)外的巨型結(jié)構(gòu)建筑

2巨型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

(1) 巨型結(jié)構(gòu)的豎向荷載都會(huì)傳遞給整個(gè)建筑的邊柱,由四周的邊柱來承擔(dān)豎向的荷載力,并且用以平衡側(cè)向的荷載對(duì)邊柱向上的力;

(2) 巨型結(jié)構(gòu)中所有的巨型柱、巨型梁和所有的巨型支撐構(gòu)件承擔(dān)著豎向荷載的同時(shí),也承受著側(cè)向的荷載;

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

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

3巨型結(jié)構(gòu)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(xué)技術(shù)的發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用,各個(gè)地域的巨型框架結(jié)構(gòu)都拔地而起,甚至出現(xiàn)了混合巨型框架結(jié)構(gòu)形式,即主框架為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),次框架采用鋼結(jié)構(gòu),這樣可減輕結(jié)構(gòu)的自重,提高結(jié)構(gòu)空間的利用率.

鋼結(jié)構(gòu)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(gòu)件與構(gòu)件之間是一個(gè)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(nèi)力會(huì)從柱傳遞給巨型梁,剛性連接一般應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生明顯的連接夾角變形;

鉸接體現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)受力后,巨型梁和巨型柱之間可自由轉(zhuǎn)動(dòng),沒有其它約束力,各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互獨(dú)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(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)混合的連接方法,即主框架為混凝土結(jié)構(gòu),次框架為鋼結(jié)構(gòu)時(shí),此類方法只具有有限的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和剛度,可以承受彎矩,并且連接所受的彎矩和連接轉(zhuǎn)動(dòng)的剛度決定著連接的各個(gè)構(gòu)件之間的角度.

3.2　節(jié)點(diǎn)處剛接、半剛接、鉸接3種連接方式中彎矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系

美國(guó)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(jiǎn)支連接.歐洲規(guī)范考慮了EC3連接與梁的塑性彎矩和轉(zhuǎn)角的相對(duì)關(guān)系，以及鋼框架中是否設(shè)置支撐是決定節(jié)點(diǎn)成為剛性節(jié)點(diǎn)、半剛性節(jié)點(diǎn)和柔性節(jié)點(diǎn)重要因素.我國(guó)規(guī)范只規(guī)定了剛接和鉸接[2],但實(shí)際并不存在完全的剛接和鉸接,這也是我國(guó)規(guī)范的一個(gè)盲點(diǎn).

很多因素與半剛性連接的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度有關(guān),譬如節(jié)點(diǎn)連接的形式、巨型梁和巨型柱的尺寸等,其本身彎矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系為非線性,論證了它的復(fù)雜性的連接.從上世紀(jì)60年代起,世界各地的學(xué)者嘗試采用各種方法對(duì)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(jié)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(guān)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(diǎn)的剛度呈階梯形式分布,在半剛性區(qū)節(jié)點(diǎn)剛度的突變處節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角產(chǎn)生了細(xì)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(duì)塑性轉(zhuǎn)角;Mu為節(jié)點(diǎn)承受的極限彎矩;n為考慮M-θ關(guān)系的曲率參數(shù).

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

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

4結(jié)語

巨型框架結(jié)構(gòu)是一種新型的建筑結(jié)構(gòu),擁有很多的發(fā)展前景,本文闡述了巨型結(jié)構(gòu)體系的分類、特點(diǎn)、整體結(jié)構(gòu)的受力傳導(dǎo)和主次框架的連接方式,以及該種建筑的國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況和應(yīng)用實(shí)例,同時(shí)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的規(guī)范總結(jié)了梁柱節(jié)點(diǎn)處剛接、半剛接、鉸接3種連接方式的彎矩和轉(zhuǎn)角的關(guān)系.由此可以預(yù)測(cè)，巨型框架結(jié)構(gòu)是建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)勢(shì)必可以得到經(jīng)濟(jì)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(cè)向力的要求,巨型框架結(jié)構(gòu)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

參考文獻(xiàn)

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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(hào)：TU 318

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-8919(2015)02-0017-04

作者簡(jiǎn)介：白松(1988～),男,吉林省長(zhǎng)春市人,在讀碩士研究生.

收稿日期：2014-10-24.