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1、型钢混凝土异形柱的基本力学行为及轴压比限值的研究,西安建筑科技大学 薛建阳,1 型钢混凝土异形柱的研究意义,异形柱结构柱肢宽度与隔墙等厚,具有避免室内柱楞凸出、美观适用、得房率高等优点，倍受欢迎。在中国异形柱结构得到了大量的应用. 异形柱在具有以上优点的同时，也存在着其截面特性带来的先天不足。,承载能力不足 。 轴压比限值过低 。 抗震性能也不理想。 在梁柱节点处，钢筋较密集 ，施工困难。 因此，学者们研究改善RC异形柱的不足，提出了加暗柱RC异形柱、 CFST异形柱、SRC异形柱、钢结构异形柱等新型异形柱结构。,工程实践表明，目前应用的钢筋混凝土（RC）异形柱存在着以下主要问题,型钢混凝土（
2、SRC）异形柱,SRC异形柱截面中主要配置型钢并配有适量的纵向钢筋和箍筋，然后浇筑混凝土把型钢包裹在里面的异形柱 。 根据配钢形式的不同，SRC异形柱可以分为两种，实腹式配钢SRC异形柱和空腹式配钢SRC异形柱，空腹式配钢中又可分为配T型钢桁架和配槽钢桁架两种。,SRC异形柱示意图, SRC异形柱保护层厚度及配钢分析,SRC异形柱与矩形柱相比:具有柱肢细长肢宽薄的特点,常采用200mm及240mm两种。 SRC结构与RC结构的一个显著区别是钢与混凝土的粘结性能差。 现有规范对SRC结构的保护层厚度要求高，宜采用150mm，最小不得小于50mm 。 显然SRC异形柱没法满足规范要求，确定保护层厚
3、度是研究的重要问题。,保护层混凝土的作用,维持型钢与混凝土之间的握裹力，提供钢与混凝土之间的粘结力 。 约束型钢，防止型钢屈曲失稳，提高防火、防腐、防锈能力，提高构件刚度。 影响构件受力的有效高度。混凝土保护层厚度越小 、力臂越大、抗弯性能越好。,混凝土保护层厚度的确定原则,不发生失稳的最小保护层厚度。 把混凝土保护层视为一块薄板，根据板的弹塑性屈曲理论，推导出混凝土在达到受压强度以前，不会发生失稳的最小保护层厚度 。,图2.1 计算简图,板的弹塑性屈曲理论推导公式,混凝土板的弹塑性屈曲应力为： 上式中，弹塑性系数 的取值是核心问题。 不发生失稳破坏的最小保护层厚度计算式为：,（ 2-1）,（
4、2-2）,混凝土临界保护层厚度,力的平衡条件：,图2.2 计算简图,（2-3）,（2-4）,（2-5）,耐久性、防火、刚度等确定保护层厚度,耐久性角度考虑混凝土保护层厚度。 从防火性能角度考虑，保护层60mm时，可耐火3h, 50mm时，可耐火2h。 从提高结构刚度的角度出发，英国规范规定了保护层厚度不小于40mm。 结论：分别从上述各方面考虑，取其中的一个最大值作为SRC异形柱的混凝土最小保护层厚度。,SRC异形柱的配钢分析,配T型钢桁架 配槽钢桁架 实腹式配钢,斜截面配钢,空腹式配钢在各肢型钢之间焊接腹杆或腹板，形成空间钢构，腹杆也起到栓钉的作用，有利于提高受力性能。 地震区的结构，考虑到
5、地震作用具有往复性，配置交叉斜腹杆的形式效果更好 。 缀件的截面积和间距确定，应满足确保纵向型钢与混凝土协同工作以及构件的抗剪要求 。,3 SRC异形柱力学特性分析,SRC异形柱由于截面不规则，导致了其不同于传统的矩形、圆形柱的一些特有性质。 边界条件不同的SRC异形柱的力学特性不同，铰接及一端铰接一端固接的异形柱具有双偏压特性，而两端固接异形柱是单偏压特性。 框架结构中SRC异形柱滞回曲线对称，破坏主要由承载力薄弱一侧的上下端控制。,两端铰接异形柱的力学特性,任意取截面上一点dA为研究对象，在外荷载作用下产生的应力为,图3.1 L形柱截面示意,当仅有绕 x,轴弯矩作用时，,由于异形柱截面不对
6、称 必定会发生双偏压破坏现象,两端刚接异形柱的力学特性,框架结构中异形柱的力学模型为两端刚接。 当楼盖只发生沿x轴方向的刚体平移时，相应的各框架柱将只发生绕x轴方向的弯曲变形。是由楼盖平面内刚度无穷大，楼盖给各柱端强力的约束所决定。 根据常识，楼盖发生x轴方向的刚体平移，相应的各框架柱也将只发生x轴方向的弯曲变形。,反证法证两端固接异形柱单偏压特性,命题：假定异形柱在楼盖产生x轴方向的刚体平移时，发生双向弯曲。 式中： 、 分别表示框架柱x、y 方向的水平位移。 求解得 ： 代入边界条件得：,由于 ， ，必定有 、 ，显然与命题只发生 x 轴方向位移的假定矛盾，命题不成立。 因此，楼盖发生轴x
7、方向的刚体平移时，柱当且仅当发生绕 y轴方向的弯曲变形，即： 结论：这就证明了两端固接异形柱的单偏压特性。,低周反复荷载作用下刚接异形柱的受力特性,图3.4 异形柱框架弯矩示意图,由图可见，正反向荷载作用时，弯矩图对于反弯点反对称，对于T形柱，反复荷载作用下，腹板上下端部交替压碎，同一根柱子上下部分的混凝土、配筋完全相同，承载能力也相同，因此，滞回曲线形状应该是对称的。,4 SRC异形柱的轴压比限值,异形柱由于截面不规则，与矩形柱相比，延性差，轴压比限值更为严格。 RC异形柱的轴压比限值较低，影响了其适用范围。 研究如何提高异形柱的轴压比限值，已成为一个亟待解决的问题。加暗柱RC异形柱、钢管混
8、凝土异形柱、SRC异形柱，目的之一就是提高轴压比限值。,轴压比限值的确定,一般认为SRC结构的轴压比限值的确定，以位移延性系数=3为界。 日本规范则以极限转角具有0.01弧度为界。 综上可以认为：当SRC异形柱同时满足位移延性系数3，和极限转角0.01弧度，对应的轴压比安全可行。,SRC异形柱的轴压比实验,试验结果分析,发生剪切粘结破坏的试件，即使轴压比限值很低，也不能满足的3的延性要求。采取有效措施防止剪切粘结破坏十分必要。 SRC异形柱的设计轴压比限值可以达到0.65。,基于界限破坏计算SRC异形柱的轴压比限值,计算思路：根据界限破坏的定义（受压混凝土达到极限压应变的同时受拉型钢屈服），求
9、出对应的轴压比。 由于截面不规则，需要编程实现。 程序的关键是：不同方向荷载作用下，截面中最大混凝土应变点和最大受拉型钢应变点的确定。 编写了计算程序SRCZYAB,程序计算结果分析,同一试件，不同加载方向轴压比限值相差很大。 对T、L形柱：90度加载（腹板受压、翼缘受拉时），轴压比限值最小。 对十形柱，45度加载时，轴压比限值最小。 由于截面及配钢不对称，按界限破坏的方法计算SRC异形柱的轴压比有可能出现负值（也就是根本不可能发生界限破坏）,试验检验界限破坏理论的计算结果,部分试件（T2、T9、L3）试验实加轴压比明显大于理论计算结果时，延性仍大于3。 采用界限破坏的计算方法计算SRC异形柱的轴压比限值存在缺陷。 没法真正反映出型钢分担轴力的作用。 计算结果出现负值或很小的值，明显与实际不符。,基于叠加法计算SRC异形柱的轴压比限值,日本规范及我国规程采用了叠加法计算SRC矩形柱的轴压比限值。 由于异形柱截面不对称，需要简化。,基于叠加法计算的技术处理,把不对称的异形柱简化成矩形柱。与加载方向一致柱肢的矩形柱。 把型钢对称化，并且以含钢量最小的一侧对称。,试验检验叠加法的计算结果,试验实加的轴压比均小于按叠加法计算的轴压比限值，且延性均达到3的要求。 按叠加法计算，并通过试验检验的轴压比限值：,谢谢！,