06矩形钢管混凝土柱带框剪力墙的应用与受力分析

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第! "卷 第#期




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矩形钢管混凝土柱带框剪力墙的应用及受力分析
夏汉强 刘嘉祥
(上海机电设计研究院 $ ) % % % & %
[提要] 提出矩形钢管混凝土柱带框剪力墙设计中面临的 问 题, 通 过 对 算 例 的 有 限 元 分 析, 对新颁布的 《矩 形 钢管混凝土结构技术规程》 (’ ) 中的结构分析假定进行分析、 论证, 以证明其合理性。 ( ’ ) # " *: $ % % & [关键词] 钢管混凝土柱带框剪力墙 方钢管混凝土柱 抗侧刚度 ! # $ % & ’ $ ( )& ) *+ ’ , % ’ , & #! ) & # / $ /( 0+ 1 2 & , 3 & # #4 ( ) ) 2 % ’ 2 *3 $ ’ 15 2 % ’ & ) # & ,4 ( ) % , 2 ’ 2 7 0 $ # # 2 *+ ’ 2 2 #8 9 24 ( # : ) / " " . 6 : , ( , , ) , -. / , / , 34 , 5 , / 6 / 6 , 7 / 8 9 , 9 3 9 :; <= : > 6 / , > ? / @( ? : > 9 A , > ?( / , / : : A , / % % % & %’ 6 , / ! ’ 1 ( ,+ 0 12 1) 1 1 1$ : (’ ! 9 / ’ , & % ’ B 6 :@ : 8 , /; < 8 6 : A C ? ? > ; / / : > 9 : @C , 9 6 > ; / > A : 9 : D < , ? ? : @ A : > 9 / 3 ? A 8 9 : : ? 9 3 E : F G B) > ; ? 3 H / , 8 , / 9 A ; @ 3 > : @ I 1 1 F , / , 9 : : ? : H : / 9 / ? 8 , 8 ; < ; / : 8 H ? : 8 6 ; C 8 9 6 9 9 6 : 8 3 ; 8 : < ; A 8 9 A 3 > 9 3 A : / ? 8 , / , / 9 6 : ! " # $ % & # ’ ( ) " # & & # ’ ! & , %+ , J K K K J 1 * +
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国际商务大厦, 地下 $ 层, 裙房 " 层, 主楼分别由# "层 、 (高 M 的东、 西 二 个 楼 塔 组 成, (高 " M N " H) $ &层 M N $H) 结构采用框架 筒 体 结 构, 即外围为方钢管混凝土柱框 架, 中间为混凝土核心筒, 是国内首栋采 用 方 钢 管 混 凝 土柱作框架 柱 的 高 层 建 筑。 该 建 筑 物 的 西 塔 楼, 其二 个混凝土核心 筒 的 四 角 均 设 有 方 钢 管 混 凝 土 柱, 组成
[ #] 。上述二项工 带框剪力墙, 作为抗侧力的主要构件
程是运用钢管 混 凝 土 柱 带 框 剪 力 墙 的 成 功 实 例, 对推 广与运用这一结构型式具有一定的借鉴意义。 试验与分析证 明, 剪 力 墙 带 柱、 梁 边 框 后, 其抗剪 承载力及稳定性较不带边框的剪力墙有较 大 幅 度 的 提 高, 可使剪力墙 能 一 直 坚 持 工 作 到 最 后, 即 使 开 裂, 也 能裂而不倒。对比试验表明: 取消边框 柱 后, 剪力墙的 同 样, 边框梁 (虽然在内 极限承载力将下降 ! %O 左 右; 力分析时不考虑其作用) 作为剪力墙的 “横 向 加 劲 肋” , 能提高其极限承载力。对比试验表明, 边 框 梁 取 消 后, 剪力墙的极限 承 载 力 将 下 降 # %O
&墙 ’
式中 " 为墙的侧移柔度。
图 % 钢管混凝土柱带框剪力墙受力示意图
墙、 柱剪力分配比例与刚度比
(.) ! (4) %柱 (4) %墙 & 墙/ &框 ! & $ 5 $ & ! # , / ! / / , & 5 # / 0 , / $ , & / # !
表#ห้องสมุดไป่ตู้
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弯矩分配比例 (4)
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表"
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$ 左柱 $ 右柱 $墙 $ 柱轴力
而柱、 墙 之 间 剪 力 的 分 配 比 例 见 表 !。 如 将 剪 力 墙外框 (包括柱、 梁) 和混凝土剪力墙分别进行刚度计
[ $] 左右 。 由 此 可 见,
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梁翼缘) 的连接件焊接的方式, 这只能是 一 种 局 部 的 连 接; 加之柱的钢 管 内 壁 与 柱 核 心 混 凝 土 间 一 般 也 无 抗 剪连接, 造 成 钢 筋 的 拉 力 可 使 钢 管 产 生 局 部 微 变 形。 这种连接 方 式 会 使 二 者 的 整 体 性 及 共 同 作 用 大 为 削 弱, 故结构分析时, 只能将剪力墙近似看 作 镶 嵌 在 框 架 中的板。此时可 认 为: 水平力产生的弯矩可由钢管混 凝土柱产生的拉压轴向力来承担; 另外, 剪力墙的侧向 刚度 (包括剪切刚度和弯曲刚度) 较之边 框 架 的 抗 侧 刚 度大得多 (往往 几 十 倍 于 边 框 架 刚 度) , 故按刚度分配
[!] 的水平剪力绝 大 部 分 应 由 混 凝 土 剪 力 墙 来 承 担 , 新
经计算, 钢管混凝土框架柱 的底部内力见 表 % (柱轴力的计 算结果已去除自重的影响) 。按 表 % 结果, 计算整理出柱轴力产 生的弯矩及墙、 柱局部弯矩所占 总抵 抗 弯 矩 的 比 例, 分别如表& 所示。从表可看出, 由柱轴力产 生的 弯 矩 占 总 的 抵 抗 力 矩 的
图 & 带框剪力墙计算模型
0 *4 以上。
表!
规程的上述计 算 简 化 假 定, 在理论分析上是完全站得 住脚的。 三、 算例分析验证 为了验证上述 假 定 的 合 理 性 ( 《规 程》 第" # $ # !条 第 %, , 对一片根据实际情况 设 定 的 方 钢 管 混 & 款假定) 凝土柱带框剪力 墙, 用’ ( ) & * * *软件对其进行了弹性 有限元分析。一 般 情 况 下, 剪力墙除承受水平剪力的 作用外, 尚承担竖向荷载的作用, 但为摸 清 水 平 剪 力 在 方钢管混凝土 柱 与 混 凝 土 剪 力 墙 之 间 的 分 配 关 系, 算 例仅考虑 在 水 平 力 作 用 下 带 框 剪 力 墙 的 简 化 计 算 模 型, 竖向作用 的 计 算 原 则 可 按 《规 程》 第" # $ # !条第! 款执行。
一、 问题的提出 目前, 国内对 钢 管 混 凝 土 柱 带 框 剪 力 墙 的 力 学 性 能研究还较少。有些设计单位由于不了 解 该 类 结 构 的 力学特性及设 计 方 法, 往往在设计中采取了将钢管混 凝土柱与混凝 土 剪 力 墙 分 开 布 置 的 做 法, 但也有一些 设计单位, 在设 计 中 大 胆 采 用 了 二 者 相 结 合 的 结 构 形 式。如 # * * * 年竣工的深圳 L $层 赛 格 广 场 大 厦 超 高 层 建筑, 其方形 内 筒 就 是 由 $ (& 根 角 M根钢管混凝土柱 柱直径! 中间柱直径! 和在柱之间浇筑的 ## % %, M % %) 作为结构承重及 二片厚 $ % % HH 的混凝土剪力墙组成,
(.) !
带框剪力墙框柱内力计算结果
剪力墙高 # 左 柱 %左柱 $ 左柱 #右柱 %右柱 $ 右柱 度! (.) (2 ・ 3) (2 3) (2 3 # .) (2 3) (2 3) (2 3 .) ! / 0 % & 5 / % & 5 % 5 $ & , " 0 # $ % $ # / % 5 # * % " # , ! # & , # % & # * , # 5 5 , % / , & , / ! & 5 % $ # ! & * # 5 & 0 ! , , ! # " , ,
算例的带框剪力墙的立面、 剖面 如 图 % 所 示, 其材 剪力墙 混 凝 土 边框为方钢管 料选用: 钢梁 + ! , $, ! *, 混凝土柱: 钢管 + 核心混凝土 ! , $, , *。 假设其高 算例在剪力 墙 宽 度 ! . 不 变 的 情 况 下, 度 ! 分别为 !, /, 0, % & . 共 , 种 类 型。 假 定 在 剪 力 墙 左上角作用一水 平 力 " 1% * * 2 3。 剪 力 墙 的 底 部 为 固 端支座, 钢框架梁与方钢管混凝土柱为 刚 接, 剪力墙嵌 固于框内, 底部 的 反 力 有: 柱 轴 力 #左柱 , 柱局部 #右柱 , 弯矩 $ 左柱 , 墙局部弯矩 $墙 以及各自的剪力 $ 右柱 , 如 图 % 所 示。 其 有 限 元 计 算 模 型 如 %左柱 , % 右柱 , %墙 , 图 & 所示。
[ ,] 算 , 则外框刚度为
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" 式中, (# ) / ( ), 为节点) 处梁柱线 ! $+" * &+" * * 6 )’ * ) ) ) 为第) 根柱的线刚度。 刚度之比; * 6 )
混凝土剪力墙刚度为 % % ’ ! " !/ ! ,6 -+% # & !/ . /
[ #] 。又如$ 抗侧力的主 要 构 件 % % #年建成的杭州瑞丰
“边框”对剪力墙 承 载 力 的 增 强 作 用 是 明 显 的。 用 钢 管混凝土柱代 替 普 通 混 凝 土 柱 作 为 剪 力 墙 的 外 框, 对 剪力墙的 “套 箍” 作 用 不 是 削 弱 了, 而 是 增 强 了。 故 在 设计中, 完全没 必 要 将 剪 力 墙 避 开 钢 管 混 凝 土 柱 进 行 布置。相反, 有条件时, 应主动将二 者 结 合 起 来。 进 行 此类结构设计 时, 设计者首先面临的是如何对钢管混 凝土柱带框剪力墙进行结构分析的问题。 二、 钢管混凝土柱带框剪力墙的计算假定 新近颁布 的 《矩 形 钢 管 混 凝 土 结 构 技 术 规 程》 (以 下简称 《规程》 ) 在总结实践工程经验的 基 础 上, 通过一 定的理论研究, 提出了钢管混凝土柱带框剪力墙的计 算方法, 这给应 用 与 推 广 这 一 组 合 结 构 型 式 提 供 了 切 实可行的手段。 对于 这 一 组 合 结 构 型 式 的 受 力 分 析, 《规 程》 第 作用于带框混凝土剪力墙 M N " N ! 条作了如 下 假 定: #) 的整体弯矩可全部由钢管混凝土柱中产生 的 轴 向 拉 力 作用 或压力承担, 而不考虑柱及剪力墙的局部 弯 矩; $) 于带框混 凝 土 剪 力 墙 的 水 平 剪 力 可 考 虑 由 剪 力 墙 承 担; ) 作用于带 框 混 凝 土 剪 力 墙 的 竖 向 荷 载 应 分 别 由 ! 钢管混凝土柱和剪力墙按实际情况分担。 对于上述假 定 的 合 理 性, 笔 者 作 如 下 分 析。 钢 筋 混凝土柱与剪 力 墙 的 连 接, 采用剪力墙分布钢筋伸入 端柱并满足抗拉锚固长度的方法。墙与 柱 二 者 的 连 接 牢固, 整体性 强, 共 同 作 用 明 显。 计 算 时, 可将柱按等 刚度代换原则, 简化成剪力墙的翼墙作 结 构 整 体 分 析。 与之不同 的 是, 钢管混凝土柱钢管外壁 (包 括 钢 梁 翼 缘) 与剪力墙的混凝土之间基本上无剪 切 约 束, 其所谓 的连接是采用剪 力 墙 分 布 钢 筋 与 设 置 在 钢 管 壁 (或 钢
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