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型钢混凝土柱的轴压比限值问题的探讨

发布于:2024-07-08 13:45:08 来自:建筑结构/结构资料库

来源:建筑结构

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作者:鲲鹏

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1.轴压比与框柱截面

在超高层建筑中,控制竖向构件截面,是各方都密切关注的结构设计要点。竖向构件截面由抗侧系统及重力系统共同决定。对体型常规的超高层建筑来说,抗侧系统是确定的,比如框架剪力墙结构、框筒结构、带加强层的框筒结构等。因此,一般情况下,竖向构件截面由重力系统决定,再直白一点,由轴压比决定。
今天这篇文章,我们探讨型钢混凝土柱的轴压比限值问题。柱子里面加型钢,多数情况是为了控制柱子截面。轴压比控制柱子截面,有两个角度可以思考,一个着眼于公式左边,即降低计算轴压比;另一个着眼于公式右边,即提高轴压比限值。
2.规范对轴压比的规定
《高规》6.4.2条给出了钢筋混凝土柱轴压比限值的规定。这条规定,我们需要注意三点:1)柱轴压比限值与结构类型相关;2)高强混凝土和较小的剪跨比,会折减轴压比限值;3)满足要求的复合箍筋及芯柱,可以提高轴压比限值。
《高规》11.4.4条,给出了型钢混凝土柱的轴压比限值。这条规定未区分结构类型,对比可知,抗震等级为一级及二级,结构类型为框剪或框筒时,采用型钢混凝土柱,轴压比限值反而降低了0.05。
参考《组合结构设计规范》6.2.19条,型钢混凝土柱轴压比限值倒是按结构类型进行了区分,但框剪和框筒结构的框架柱,轴压比限值与《高规》无异。
发布时间更为久远的《钢骨混凝土结构设计规程》(YB9082-2006)6.3.12条给出了钢骨混凝土柱轴压力系数,框剪及框筒结构,抗震等级为一级和二级时,对应的轴压比系数为0.7和0.8,该值与《高规》及《组合规程》吻合, 但公式左边轴压比计算仅考虑重力荷载代表值。
3.对轴压比的疑问
看到这里,我们不禁有几个疑问:
1)《高规》及《组合规范》考虑了地震组合,轴压比限值为何与不考虑地震作用的《钢骨规程》一致?
2)型钢混凝土柱,相比钢筋混凝土柱,公式右边的轴压比限值应该提高,还是降低?
3)以前计算轴压比时,采用组合为1.2(D+0.5L)+1.3E,目前组合为1.3(D+0.5L)+1.4E,计算轴压比被动提高了?
4.对轴压比限值的探讨
控制框架柱轴压比的终极目标是为了保证其塑性变形能力,在破坏形态上,希望其为大偏心受压破坏,即破坏时受拉钢筋达到屈服且受压区混凝达到极限压应变,事实上,轴压力和混凝土的受压区高度相关。
经过一系列推导,当钢筋为三级钢,混凝土强度为C50时,轴压比为0.85,与《高规》6.4.2条抗震等级三级框架柱的轴压比限值一致。这里面的推导是把地震作用作为类似于常荷载进行计算,未考虑调整系数。
参考文献指出:对于型钢混凝土柱,除了箍筋对混凝土柱起约束作用,型钢也有一定约束作用,这已被试验证实。对型钢混凝土柱而言,在型钢面积趋于零时,其轴压比限值不应低于混凝土柱的轴压比限值,一般应高于10%为宜。
广东省《高层建筑钢-混凝土混合结构技术规程》(DBJT15-128-2017)参考了该文献,并在7.6.6条给出了考虑地震作用组合的轴压比限值。
这本规程按结构类型对型钢混凝土柱的轴压比进行了区分,框架结构的轴压比限值与《高规》一致,框剪结构和框筒结构的轴压比限值相比框架结构有所提高,这与《高规》6.4.2条逻辑一致。
参考该规程,抗震等级为一级的框剪结构和框筒结构中的型钢混凝土柱,其轴压比限值为0.80,比《高规》及《组合结构规程》提高了0.1,这个影响是比较大的,这意味着,相同条件下,轴压比控制的柱子截面可以减小15%,或者柱内钢骨可以优化。
5.对轴压比限值的补充讨论
关于柱内钢骨对混凝土的约束作用,《省高规》条文说明中有一段话可以佐证,“当型钢混凝土柱内部型钢为封闭式钢骨(例如钢管),计算箍筋体积配箍率时的混凝土截面面积可以扣除封闭钢骨内的面积;对于钢骨为十字形的型钢混凝土柱,当有可靠依据时,计算箍筋体积配箍率时的混凝土截面面积可扣除全部或部分钢骨截面范围内的面积”。
实际设计时,目前并未按上述思路操作,型钢混凝土柱依然按要求配置了箍筋,但轴压比限值,个人认为,是可以参考广东省混合结构技术规程的。
文章最后,我们再来想一想,抗震等级为一级的框剪结构和框筒结构中的型钢混凝土柱,轴压比限值取为0.80,到底高不高?
翻开21版的广东省高规,仅考虑重力荷载代表值的轴压比限值,一级时为0.75。
考虑地震作用组合后,柱子轴力设计值一般要增大15%到25%,则换算轴压比为0.86~0.94,可见,广东省混合结构技术规程取为0.80,还是要保守一些。
如果还是不放心,我们再来看荷载组合系数由之前的1.2/1.3提高为当下的1.3/1.4,柱轴力设计值大概提高了8.5%,轴压比限值其实只提高了0.04,其实并没有0.1。
6.参考文献
1)《钢筋混凝土剪力墙和组合结构构件的轴压比控制》,韩建强,李莉,等,建筑结构,2015,45(14)
2)《核心型钢混凝土柱抗震性能及轴压比限值试验研究》,刘阳,郭子雄,等,土木工程学报,2010,43(6)

来源:JIE构生活

  • shilaoqi
    shilaoqi 沙发

    谢谢楼主的分享!

    2024-07-14 09:12:14

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