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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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
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［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
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图 % 钢管混凝土柱带框剪力墙受力示意图
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［ $］ 左右 。 由 此 可 见，
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［!］ 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
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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，
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带框剪力墙框柱内力计算结果
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“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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矩形钢管混凝土柱带框剪力墙的应用及受力分析
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［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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［!］ 的水平剪力绝 大 部 分 应 由 混 凝 土 剪 力 墙 来 承 担 ， 新
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“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