鋼管混凝土異形柱在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的應用

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)已廣泛應用于許多建筑中。然而，由于鋼筋混凝土支架的機械性能限制，對于高層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，尤其是高層結(jié)構(gòu)，其截面通常較大，因此從側(cè)面連接到墻柱的末端，并減少建筑室內(nèi)的使用面積。同時，將限制室放置在裝飾性建筑的表面，從而影響視覺美學。針對鋼筋混凝土柱截面大的缺點，同時考慮結(jié)構(gòu)立柱的受力特性學者們提出了鋼管混凝土柱的概念。關(guān)于鋼管混凝土異形柱，許多學者開展了理論研究。董建軍另外還有一些學者針對鋼管混凝土異形柱開展了試驗研究，如殷飛通過許多學者的研究，證明了鋼管混凝土柱子在建筑結(jié)構(gòu)中的優(yōu)越性，使得這種類型的柱子已經(jīng)在許多工程中得到了應用，特別是在超高層建筑中，鋼管混凝土異形柱得到了廣泛應用，如北京財富二期辦公樓、大連國貿(mào)中心大廈、天津117大廈、北京中國尊大廈等工程。結(jié)合實際用鋼量并匹配建筑平面設計，鋼管混凝土建筑中的邊柱、角柱和中柱可以采用L形、T形和十字形異形柱。通過對于鋼管混凝土異形柱研究成果的分析可知，大多數(shù)學者都是集中于對其設計階段受力性能的考慮，而對于在既有普通混凝土結(jié)構(gòu)設計中，采用鋼管混凝土異形柱代替其混凝土立柱進行優(yōu)化設計的研究很少。因此，本文以一棟鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，結(jié)合鋼管混凝土柱受力性能好，截面尺寸小的特點，利用其優(yōu)化鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，以增加室內(nèi)使用面積，為相關(guān)結(jié)構(gòu)的設計優(yōu)化提供理論支撐。1墻體填充墻安裝某大廈，地上1-2層為自行車庫，地上3-10層為辦公區(qū)，地下一層為自行車庫，該結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，原有立柱設計為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上墻體，外墻填充墻為250mmB06級加氣混凝土砌塊墻，內(nèi)墻填充墻為蒸壓輕質(zhì)砂加氣混凝土板材，厚度為200mm、100mm。結(jié)構(gòu)原有立柱為矩形鋼筋混凝土柱，截面尺寸分別為500mm×500mm,700mm×700mm,600mm×600mm,700mm×800mm等幾種尺寸，由于墻柱相連處出現(xiàn)較大陽角，使得室內(nèi)使用面積減小、裝飾布置受限，并且影響視覺審美要求，所以擬采用箱型鋼管混凝土異形柱等效代替原鋼筋混凝土柱。2鋼管混凝土異形柱尺寸擬定《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50936-2014)式中：EA為鋼管混凝土柱的組合軸壓剛度；EI為鋼管混凝土柱的組合抗彎剛度；GA為鋼管混凝土柱的組合剪切剛度；E結(jié)合原有混凝土立柱的結(jié)構(gòu)尺寸，在滿足結(jié)構(gòu)受力的條件下，現(xiàn)擬定2種不同方案的鋼管混凝土異形柱尺寸，如表1、圖1和圖2所示。鋼管混凝土異形柱外圍鋼板采用Q345鋼，厚12mm，內(nèi)部填充C40混凝土。3框架柱有限元模型某大廈初始設計為小震彈性，參照《鋼筋混凝土設計規(guī)范》由于梁柱剛接的框架產(chǎn)生水平位移后，柱子中點及梁中點處為反彎點，所以取框架柱的一半作為最終計算模型，建立有限元模型進行計算，模型如圖4所示。模型頂部鉸接、底部為固定端；層間位移角θ達到1/300時，對應模型頂部位移：《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定：以受壓為主的鋼管混凝土構(gòu)件，矩形截面邊長和壁厚之比B/t不應大于4異形柱應力分析利用有限元軟件對各鋼管混凝土異形柱進行計算，各計算模型的軸向力以壓強的形式均勻施加在柱中截面上，分別考慮在等效后T形、L形、十字形3種截面形式異形柱的弱軸加載產(chǎn)生彎矩，計算結(jié)果如圖5和圖6所示。通過對各柱子的應力進行分析可以知道：(1）繞柱截面弱軸產(chǎn)生彎矩時，各異形柱最大應力均發(fā)生在柱子底部，外鋼管底部離中和軸最遠的受壓面屈服，甚至曲屈變形；(2）對于十字形鋼管混凝土異形柱，方案1最大應力為342.5MPa，方案2最大應力為232.3MPa，最大應力均出現(xiàn)在柱底邊緣，小于柱子外圍鋼材的屈服應力；(3）對于L形鋼管混凝土異形柱，方案1最大應力為280.4MPa，方案2最大應力為287.5MPa，最大應力均出現(xiàn)在柱底邊緣，小于柱子外圍鋼材的屈服應力；(4）對于T形鋼管混凝土異形柱，方案1最大應力為288.7MPa，方案2最大應力為281.6MPa，最大應力均出現(xiàn)在柱底邊緣，小于柱子外圍鋼材的屈服應力。5鋼管壁厚對異形柱應力的影響在鋼管混凝土異形柱設計中，鋼管壁厚是一個重要的參數(shù)，因此，結(jié)合上述兩方案計算結(jié)果，取方案1的L形鋼管混凝土異形柱，方案2的十字形鋼管混凝土異形柱和T形鋼管混凝土異形柱，進一步研究鋼管壁厚對異形柱受力性能的影響。針對異形柱的鋼管的壁厚取8mm,10mm,12mm,14mm,16mm,18mm和20mm進行分析，結(jié)果見圖7。通過對各柱子的應力進行分析可以知道：(1）十字形、L形和T形鋼管混凝土異形柱的最大應力與鋼管壁厚有關(guān)系，均隨著壁厚的增加而減??；(2）十字形鋼管混凝土異形柱最大應力，隨著壁厚的增加非線性減小，且隨著壁厚的增加減小趨勢逐漸變小；(3）對于L形鋼管混凝土異形柱最大應力，隨著壁厚的增加基本呈線性減??；(4）對于T形鋼管混凝土異形柱最大應力，隨著壁厚的增加基本呈線性減小。6凝土異形柱結(jié)構(gòu)通過對鋼管混凝土異形柱代替既有設計鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)立柱的受力分析，可以知道：(1）采用的等效箱型鋼管混凝土異形柱滿足結(jié)構(gòu)小震彈性的設計要求；(2）在層間位移角達1/300時，除柱底部屈服及曲屈變