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2017巖土工程師考點：異形柱結(jié)構(gòu)
異形柱是異形截面柱的簡稱。這里所謂"異形截面"，是指柱截面的幾何形狀與常用普通的矩形截面相異而言。下面yjbys小編為大家準(zhǔn)備了關(guān)于異形柱結(jié)構(gòu)的知識點，歡迎閱讀。
異形柱結(jié)構(gòu)型式及其計算
異形柱結(jié)構(gòu)型式有異形柱框架結(jié)構(gòu)、異形柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和異形柱框架—核心筒結(jié)構(gòu)。
異形柱結(jié)構(gòu)自身的特點決定了其受力性能、抗震性能與矩形柱結(jié)構(gòu)不同。由于異形柱截面不對稱，在水平力作用下產(chǎn)生的雙向偏心受壓給承載力帶來的影響不容忽視。因此，對異形柱結(jié)構(gòu)應(yīng)按空間體系考慮，宜優(yōu)先采用具有異形柱單元的計算程序進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。因異形柱和剪力墻受力不同，所以計算時不應(yīng)將異形柱按剪力墻建模計算。
當(dāng)采用不具有異形柱單元的空間分析程序(如TBSA 5.0)計算異形柱結(jié)構(gòu)時，可按薄壁桿件模型進(jìn)行內(nèi)力分析。
對異形柱框架結(jié)構(gòu)，一般宜按剛度等效折算成普通框架進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。當(dāng)剛度相等時，矩形柱比異形柱的截面面積大。一般，比值(A矩/A異)約在1.10-1.30之間[1]。因此，用矩形柱替換后計算出的軸壓比數(shù)值不能直接應(yīng)用于異形柱，建議用比值(A矩/A異)對軸壓比計算值加以放大后再用于異形柱。
對有剪力墻(或核心筒)的異形柱結(jié)構(gòu)，由于異形柱分擔(dān)的水平剪力很小，由此產(chǎn)生的翹曲應(yīng)力基本可以忽略，為簡化計算，可按面積等效或剛度等效折算成普通框架—剪力墻(或核心筒)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。按面積等效更能反映異形柱軸壓比的情況，且面積等效計算更為簡便。但應(yīng)注意，按面積等效計算時，須同時滿足下面兩式：
A矩=A異;(2)| b/h=(Ix異/Iy異)
式中，A矩、A異——分別為矩形柱和異形柱的截面面積;
b、h——分別為矩形截面的寬和高;
Ix異 、Iy異——分別為異形柱截面x、y向的主形心慣性矩。
一般，按面積等效計算時，矩形柱的慣性矩比異形柱的小。但對有剪力墻(或核心筒)的異形柱結(jié)構(gòu)，計算分析表明[2]，按面積等效與按剛度等效的計算結(jié)果是接近的。
異形柱的截面設(shè)計，可根據(jù)上述方法得出的內(nèi)力，采用適合異形柱截面受力特性的截面計算方法進(jìn)行配筋計算。
與剪力墻相連的梁稱為連梁。連梁一般具有跨度小，截面大，與連梁相連的墻體剛度又很大等特點。因此，高層建筑在水平力作用下，連梁的內(nèi)力往往很大。設(shè)計時，即使采取了降低連梁內(nèi)力的各種措施，如：加大剪力墻的洞口寬度;在連梁中部開水平縫，在計算內(nèi)力和位移時對連梁剛度進(jìn)行折減，對局部內(nèi)力過大層的連梁內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整等，仍無法使連梁的截面設(shè)計符合要求。由于設(shè)計規(guī)范對此沒有明確規(guī)定，因此，設(shè)計時感到無所適叢。而設(shè)計、構(gòu)造不當(dāng)將會造成結(jié)構(gòu)在抵抗水平力時的強(qiáng)度、剛度不符合要求，進(jìn)而影響承受豎向荷載的能力。本文將討論高層建筑剪力墻中連梁設(shè)計的幾個問題，并提出相應(yīng)的建議。對于一端與墻相連，一端與框架柱相連的梁，可以看成是連梁的一個特例。
剪力墻結(jié)構(gòu)的超長問題
1. 混凝土規(guī)范9.1.1條規(guī)定現(xiàn)澆混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的溫度伸縮縫最大間距當(dāng)在室內(nèi)或土中時為45m，露天時為30m;而現(xiàn)澆框架剪力墻或框架核心筒結(jié)構(gòu)的伸縮縫間距可取45~55m.規(guī)范的這一規(guī)定顯然與現(xiàn)今建筑的體量越來越大但功能又要求不設(shè)縫發(fā)生矛盾;因此目前許多工程中的伸縮縫間距都突破了規(guī)范的規(guī)定，也造成了設(shè)計人員在設(shè)計中遇到超長結(jié)構(gòu)時的膽量越來越大。筆者認(rèn)為今后當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)超長時，應(yīng)該慎重處理為好，過長時應(yīng)該盡量設(shè)置溫度伸縮縫，宜較嚴(yán)格遵守規(guī)范規(guī)定的限值，理由如下：
①. 剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，受溫差影響大，混凝土的收縮、徐變產(chǎn)生的變形大，墻體對樓面、屋面產(chǎn)生的約束也大;當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮變形時比其他結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)裂縫。一些未超長的剪力墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生墻體或樓面裂縫，其主要原因就在此。
②. 剪力墻結(jié)構(gòu)多用于商品住房和公寓，使用狀況復(fù)雜，一旦私人購買的房子出現(xiàn)裂縫，雖然沒有安全問題，但處理起來問題多，難度大，社會影響大。
③. 混凝土結(jié)構(gòu)受溫度或收縮徐變的影響與眾多因素有關(guān);而體型龐大的剪力墻房屋往往形狀復(fù)雜，混凝土收縮大，約束應(yīng)力積聚也大，施工工藝及管理也難控制，環(huán)境影響使用變化難于判斷，因此更難于解決混凝土收縮變形時，在受約束條件下引起拉應(yīng)力而保證不出現(xiàn)裂縫。
④. 目前混凝土的收縮量不斷增大，已由80年代的一般收縮量300με上升到400με以上，因此使混凝土用量大的剪力墻產(chǎn)生裂縫的因素在增大。
⑤. 目前隨著市場形勢的變化，大部分工程要趕工加班，質(zhì)量難保證，為趕工混凝土中水泥用量普遍增大，使混凝土收縮量增大，加上由于混凝土強(qiáng)度的提高，使彈性模量增加將引起更大的約束拉應(yīng)力產(chǎn)生，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的因素增多。
⑥. 普遍使用商品混凝土泵送施工，為了泵送，增大水泥用量，減少了中粗骨料含量和骨料粒徑，加上泵送混凝土配合比和施工送料時的不良因素影響等都加大了結(jié)構(gòu)收縮量，增加產(chǎn)生裂縫的因素。
綜上所述，今后在處理超長結(jié)構(gòu)時，特別是處理超長的剪力墻結(jié)構(gòu)時要特別慎重;當(dāng)發(fā)生實在由于建筑使用功能要求不允許超長建筑設(shè)永久縫時，建議采用對結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的方法并結(jié)合采用設(shè)計構(gòu)造措施、施工措施共同給予處理。
聯(lián)肢墻在水平力作用下的破壞機(jī)制
高層建筑聯(lián)肢墻在水平力作用下的破壞分為脆性破壞(即剪切破壞)和延性破壞(即彎曲破壞)兩種。聯(lián)肢墻的脆性破壞又可分為兩種情況。一種是脆性破壞發(fā)生于墻肢。墻肢由于抗剪能力不夠而發(fā)生剪切破壞，會使剪力墻很快喪失承載能力。造成結(jié)構(gòu)的突然倒塌。這是設(shè)計所應(yīng)該絕對避免的。抗震規(guī)范里規(guī)定了抗震墻截面的剪壓比限值和抗震等級為一、二級時抗震墻底部加強(qiáng)部位剪力設(shè)計值的放大系數(shù)，就是為了防止剪力墻早于彎曲破壞而發(fā)生剪切破壞。脆性破壞的第二種情況是連梁發(fā)生剪切破壞。連梁發(fā)生剪切破壞會使聯(lián)肢墻各墻肢喪失連梁對墻肢的約束作用。在沿墻全高所有連梁均發(fā)生剪切破壞時，聯(lián)肢墻的各墻肢將成為單片的獨立墻，這會使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大降低，墻肢彎矩j加大。抗震規(guī)范里規(guī)定了連梁截面的剪壓比限值和抗震等級為一、二級時連梁端部剪力設(shè)計值的調(diào)整系數(shù)，也是為了防止連梁早于彎曲破壞發(fā)生剪切破壞。但是，和第一種墻肢發(fā)生剪切破壞相比，連梁發(fā)生剪切破壞時結(jié)構(gòu)尚未喪失承載能力，在墻肢破壞前，只要所考慮的連梁不承擔(dān)較大的豎向荷載，還不會造成結(jié)構(gòu)的倒塌。
剪力墻的延性破壞也可分為兩種情況。一種是連梁不屈服，墻肢首先發(fā)生彎曲破壞，這種墻在破壞時的極限變形較小。因此，對有抗震設(shè)防要求的建筑來說，它雖然是一種延性破壞，但吸收地震能量的能力是較低的。設(shè)計中應(yīng)避免這種情況的發(fā)生。延性破壞的第二種是連梁先屈服，最后是墻肢的屈服。當(dāng)連梁有足夠的延性時，它能通過塑性鉸的變形吸收大量的地震能量。同時，通過塑性鉸仍能繼續(xù)傳遞彎矩和剪力，對墻肢起到一定的約束作用，使聯(lián)肢墻保持足夠的剛度和強(qiáng)度。這是設(shè)計時應(yīng)首先考慮做到的。為了保證聯(lián)肢墻的延性要求，對連梁的延性要求是非常高的。因此，在設(shè)計高層建筑剪力墻時，必須十分注意保證連梁的延性要求。
以上主要從抗震的角度分析了聯(lián)肢墻的破壞機(jī)制。對于非抗震的情況，水平作用力主要是風(fēng)荷載。風(fēng)荷載是一種實實在在的荷載，不能通過結(jié)構(gòu)的塑性變形來減少風(fēng)荷載。但可以通過結(jié)構(gòu)的塑性變形將荷載分布到其他尚未屈服的構(gòu)件。通過內(nèi)力重分布提高結(jié)構(gòu)的整體承載能力，避免由于個別構(gòu)件的破壞造成整個結(jié)構(gòu)喪失承載能力。因此，以上關(guān)于聯(lián)肢墻破壞機(jī)制的討論在非抗震設(shè)計中是同樣有意義的。
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