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        外框架斜柱對框架結(jié)構(gòu)受力性能的影響

        2020-11-09 01:49:14楊博顏宋小軟
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2020年21期
        關(guān)鍵詞:斜柱內(nèi)力剪力

        楊博顏 ,宋小軟

        (1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,北京 100144;2.北京建筑設(shè)計(jì)研究院,北京 100045)

        1 引言

        近年來,高層建筑以及公共建筑中經(jīng)常出現(xiàn)外框架柱沿建筑高度方向采用傾斜的形式【1,2】,即外框架柱傾斜,其主要優(yōu)點(diǎn)是:與建筑沿高度方向漸縮的體型達(dá)到最自然的結(jié)合,一定程度上滿足了設(shè)計(jì)師對造型新穎和功能多樣的要求,另一方面可避免復(fù)雜的水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、避免傳統(tǒng)的呈階梯狀的樓層平面突變【3】。位于建筑外周的框架柱隨建筑外輪廓線變化而傾斜,既使建筑內(nèi)部使用空間達(dá)到最大化,也能使抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的抗彎力臂達(dá)到最大??蚣苤鈨A角度大小將影響到結(jié)構(gòu)的布置及傳力方式,從而影響框架結(jié)構(gòu)的受力性能。

        目前,針對外框架斜柱對結(jié)構(gòu)受力性能的影響研究工作較少。本文通過僅改變斜柱外傾角度的方式,建立了5 個不同傾角的外框架斜柱的框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,對在豎向荷載、水平地震作用和目標(biāo)組合工況下框架梁柱的受力變化進(jìn)行對比分析,研究外框架斜柱傾角變化對框架結(jié)構(gòu)受力的影響。

        2 計(jì)算模型的參數(shù)及計(jì)算假定

        研究模型地上5 層,層高均為3.4m,X 向6 跨,跨度為4.3m 和 8.4m;Y 向 4 跨,跨度分別為 4.3m 和 8.4m,采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。典型樓層的結(jié)構(gòu)平面布置如圖1 所示,西側(cè)及南側(cè)外排框架柱為圓柱,其中,布置在A 軸上的外框架柱沿Y 軸向外側(cè)傾斜。

        圖1 結(jié)構(gòu)平面圖

        抗震設(shè)防烈度為8 度(0.2g),設(shè)計(jì)地震分組為第二組,場地土類別為Ⅲ類場地。該模型首層至4 層為教室,荷載均一致,按房間布置砌塊墻體,樓、屋面主要恒載分別為2.5kN/m2和 4.0kN/m2,活荷載分別為 2kN/m2和 2.5kN/m2【4】,基本風(fēng)壓為0.45kN/m2??蚣芸拐鸬燃墳槎?。因該結(jié)構(gòu)嵌固在地下室頂板,進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時不考慮地下室的影響。

        梁板混凝土強(qiáng)度等級均為C30,框架柱混凝土強(qiáng)度等級為C40,梁柱縱筋和箍筋采用HRB400?,F(xiàn)澆樓板厚為120mm??蚣苤讓又? 層截面尺寸為850mm×850mm,4~5 層框架柱結(jié)構(gòu)尺寸為700mm×700mm,圓柱直徑為800mm。首層至3 層框架梁截面尺寸400mm×800mm,4 層截面尺寸為400mm×700mm,5 層截面尺寸為 400mm×600mm。

        本文采用YJK 分析軟件,建立斜柱傾角為0°的普通直柱框架模型,如圖 2 所示,斜柱傾角為 5°、10°、15°和 20°的框架三維空間整體模型如圖3 所示。進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時,斜柱采用空間斜桿的方式進(jìn)行建?!?】。

        圖2 普通直柱框架模型圖

        圖3 外框架柱傾斜框架模型

        相對于直柱,斜柱軸力引起的水平分量會對相連樓層,尤其柱頂、底部柱端相連樓層的樓面梁板水平荷載下斜柱水平力的傳遞產(chǎn)生巨大的水平推力,使樓板平面內(nèi)產(chǎn)生較大的變形【6】。因此在計(jì)算構(gòu)件內(nèi)力時,將斜柱及相鄰一跨區(qū)域(即A~C 軸之間)樓板定義為彈性板6,考慮樓板的面內(nèi)剛度及變形。

        3 外框架斜柱對框架柱受力的影響

        在考慮樓板的面內(nèi)剛度及變形的前提下,首層框架柱受力最大,故本文針對斜柱區(qū)域首層框架柱在3 種不同荷載工況下的內(nèi)力變化進(jìn)行對比。經(jīng)過對比目標(biāo)組合中,1.2D+0.6L-1.3Ey工況下斜柱受力均為最大,故選取本工況代表目標(biāo)組合,對其內(nèi)力進(jìn)行研究。首層中6 軸交A 軸斜柱軸壓比最大,故本文選取該斜柱及鄰近一跨的內(nèi)直框架柱內(nèi)力進(jìn)行比較,其平面位置如圖1 中所示。

        3.1 豎向荷載作用下框架柱內(nèi)力變化

        豎向荷載作用下首層柱內(nèi)力隨斜柱傾角變化情況見圖4a~c。由圖可見,在豎向荷載作用下,斜柱和內(nèi)直框架柱均受壓,且壓力隨著傾角增大而逐漸增大;框架柱剪力和彎矩均顯著增大,其中柱彎矩增幅最大,剪力增幅次之。

        圖4 豎向荷載作用下首層柱內(nèi)力變化

        3.2 水平地震作用下框架柱內(nèi)力變化

        水平地震作用下首層柱內(nèi)力隨斜柱傾角變化情況見圖5a~c。由圖可見,在地震作用下,框架柱的受力狀態(tài)與豎向荷載工況下有明顯的變化:斜柱受拉,且拉力隨著傾角增大逐漸減??;斜柱剪力略微減小,柱底彎矩略微增大;內(nèi)直框架柱剪力和彎矩隨著傾角增大而逐漸增大;在傾角10°以內(nèi)時內(nèi)直框架柱受壓,隨著傾角增大壓力逐漸減小,傾角大于10°后框架柱變?yōu)槭芾﹄S著傾角增大而增大。在地震作用下,斜柱傾斜會引起內(nèi)直框架柱由受壓變?yōu)槭芾?,?nèi)直框架柱承擔(dān)的剪力增幅最大,因此設(shè)計(jì)時需要注意。在實(shí)際工程中,設(shè)計(jì)師往往會忽略了對斜柱相鄰一跨的直框架柱進(jìn)行加強(qiáng)。

        圖5 水平地震作用下首層柱內(nèi)力變化

        3.3 目標(biāo)組合工況下框架柱內(nèi)力變化

        目標(biāo)組合工況下首層柱內(nèi)力隨斜柱傾角變化情況見圖6a~c。由圖可見,斜柱和內(nèi)直框架柱都受壓。隨著傾角增大,斜柱剪力和彎矩逐漸增大;斜柱所受軸力先逐漸減小,傾角10°后軸壓力逐漸增大;內(nèi)直框架柱所受軸壓力、剪力和彎矩均逐漸增大。由此可見,當(dāng)斜柱外傾角度在10°內(nèi)時,其所受壓力逐漸減小,而剪力變化不大,彎矩有小幅增大,受力偏于有利;而外傾角度大于10°后,其所受軸壓力和彎矩增幅較大,斜柱更容易發(fā)生壓彎破壞。

        由圖4a、圖5a 和圖6a 對比可以看出,雖然地震作用下,斜柱和內(nèi)直框架柱都受拉,但在含有豎向荷載的工況下,斜柱和內(nèi)直框架柱均受壓,這說明相比小震作用,豎向荷載對框架柱受力影響更大。

        4 外框架斜柱對框架梁受力的影響

        因?yàn)樾敝蛲鈧?cè)傾斜,本文選取6 軸交A、B 軸之間的框架梁首層梁1,如圖1 所示,和4 層同位置處梁2 的內(nèi)力變化進(jìn)行比較,得到斜柱對框架梁受力的影響。

        圖6 目標(biāo)組合工況下首層柱內(nèi)力變化

        4.1 豎向荷載作用下框架梁內(nèi)力變化

        豎向荷載作用下梁1、梁2 內(nèi)力隨斜柱傾角的變化分別見表 1 和表 2。

        表1 豎向荷載作用下首層梁1 內(nèi)力

        表2 豎向荷載作用下4 層梁2 內(nèi)力

        由表1 可見,隨著斜柱傾角增大,首層斜柱與內(nèi)直框架柱之間的框架梁所受軸拉力逐漸增大;梁近斜柱端負(fù)彎矩和剪力逐漸增大;內(nèi)直框架柱端負(fù)彎矩逐漸減小,傾角達(dá)到20°時梁端由負(fù)彎矩變?yōu)檎龔澗兀粌?nèi)直框架柱端剪力方向不變,數(shù)值隨著傾角增大而減小??蚣芰菏芾蚴且?yàn)榭蚣芰簽樾敝峁┧郊s束。

        由表2 可見,隨著斜柱傾角增大,4 層框架梁內(nèi)直框柱端負(fù)彎矩逐漸增大,剪力方向不變,數(shù)值隨著傾角增大而增大;其余內(nèi)力變化規(guī)律與首層一致。

        與0°相比,20°時梁1 近斜柱端軸拉力、彎矩和剪力增幅分別增大了41 倍、21.25 倍和3.74 倍;梁2 近斜柱端軸拉力、彎矩和剪力增幅分別增大了89.0 倍、16.2 倍和4.9 倍。由此可見,框架梁近斜柱端軸拉力增幅最大,彎矩次之,剪力最小。

        4.2 水平地震作用下框架梁內(nèi)力變化

        水平地震作用下梁1、梁2 內(nèi)力隨斜柱傾角的變化分別見表 3 和表 4。

        表3 水平地震作用下首層梁1 內(nèi)力

        表4 水平地震作用下4 層梁2 內(nèi)力

        由表3 可見,在地震作用下,隨著斜柱傾角增大,框架梁所受軸壓力逐漸增大;梁近斜柱端正彎矩、剪力和內(nèi)直框架柱端負(fù)彎矩、剪力均方向不變,數(shù)值逐漸減小。

        由表4 可見,斜柱傾角在5°以內(nèi)時框架梁所受軸拉力逐漸增大,在5°后軸拉力隨著傾角增大而逐漸減小,其余內(nèi)力變化規(guī)律與首層一致。由表3 和表4 對比并檢查其他各層內(nèi)力結(jié)果可知,在水平地震作用下首層框架梁受壓,上層框架梁均受拉,且所受軸拉力隨著斜柱傾角增大而增大。

        綜上可知,在豎向荷載作用和水平地震作用2 種工況中,斜柱與內(nèi)直框架柱之間連接的框架梁基本均受拉,說明荷載組合后框架梁仍然受拉,故應(yīng)按拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        5 結(jié)語

        通過對含有不同傾角的外框架斜柱的框架結(jié)構(gòu)在常遇地震作用下3 種工況的內(nèi)力對比分析,得出以下結(jié)論:

        1)在3 種工況中,外框架斜柱及內(nèi)直框架柱的彎矩、剪力均隨傾角增大而增大。在含有豎向荷載的工況下斜柱和內(nèi)直框架柱均受壓,且其值隨傾角增大而增大;在地震作用下框架柱內(nèi)均出現(xiàn)拉力,內(nèi)直框架柱拉力隨傾角增大而增大。相比小震作用,豎向荷載對框架柱受力影響更大。

        2)外框架斜柱外傾使斜柱與內(nèi)直框架柱之間連接的框架梁受拉,且拉力隨傾角增大而增大,彎矩、剪力則均隨傾角增大而減小。

        3)建議設(shè)計(jì)中控制外框架斜柱外傾角度,框架梁按拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì),防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件過早地發(fā)生受拉破壞。若斜柱外傾角度超過10°,建議斜柱和臨近斜柱的直框架柱縱筋和箍筋放大1.2 倍,箍筋全高加密。與斜柱相連的框架梁應(yīng)按全截面抗拉進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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