钢管-混凝土异形柱在钢筋混凝土框架结构优化设计中应用研究

2020-10-17 07:11李长辉李自林

河北水利电力学院学报 2020年3期

李长辉，李自林

(1.中国民航大学机场学院，天津市津北公路2898号 300300；2.河北水利电力学院土木工程学院，河北省沧州市重庆路1号 061001)

钢筋混凝土框架结构在许多建筑中得到了应用，但由于钢筋混凝土立柱力学性能的限制，对于高层结构特别是超高层结构其截面往往偏大，使得墙柱相连处柱子外凸，减小了建筑物室内使用面积，同时使得室内装饰布置受限，影响视觉审美。

针对钢筋混凝土柱截面大的缺点，同时考虑结构立柱的受力特性学者们提出了钢管混凝土柱的概念。关于钢管混凝土异形柱，许多学者开展了理论研究。董建军[1]通过对于小高层住宅钢异形柱支撑框架结构进行整体分析，确定异形柱及支撑的布置方案，对异形柱和钢梁的连接节点选用4种方案进行有限元分析，给出各种连接方式下的内力及位移的比较结果。武海鹏[2]基于钢管混凝土“统一理论”成果及部分试验结果,研究钢管混凝土柱截面形状由三角形、正方形……正n边形到圆形变化时，钢管对混凝土约束效应的变化规律。王冬娜[3]首先阐述了钢管混凝土异形柱的形式及优势,在此基础上对钢管混凝土异形柱的力学性能及抗震性进行了论述。巩牧华[4]选取钢筋混凝土异形柱框架、型钢混凝土异形柱框架和钢管混凝土异形柱框架，采用有限元分析软件OpenSees对三者进行Pushover分析，结果表明：型钢混凝土异形柱框架和钢管混凝土异形柱框架较钢筋混凝土异形柱框架在承载能力和位移延性等方面有较大提高。周凤勤[5]根据钢筋混凝土梁理论，给出了十字形截面钢管混凝土异形柱正截面承载力的计算方法。陈海彬[6]以钢筋混凝土梁设计原理作为依据，给出了L形截面钢管混凝土异形柱正截面的非线性分析方法。

另外还有一些学者针对钢管混凝土异形柱开展了试验研究，如殷飞[7]设计并制作了5个1/30缩尺多腔钢管混凝土异形柱模型试件，采用拟静力试验方法,对各试件的破坏特征、滞回性能、承载力、刚度退化、延性以及耗能能力进行研究。王玉银[8]进行了3根T形柱的压弯滞回性能试验研究，探讨了各类试件的破坏模式和滞回力学性能，分析了钢筋加劲肋的作用机理以及钢管对混凝土的约束效果。李泉[9]以试件长度、偏心距、偏心方向为试验参数，设计9个不同长细比的T形方钢管混凝土组合异形柱试件进行偏心受压试验，观察试件的破坏形态，得到荷载-应变曲线和荷载-挠度曲线,并分析各参数对试件偏心受压性能的影响。吴一然[10]对3个T形钢管混凝土异形柱和工形钢梁节点(一个试件为全焊接节点，两个为栓焊混接节点)进行反复荷载试验，研究了节点在反复受力过程中的变形特征、承载力退化及能量消耗的能力，研究结论表明T形钢管混凝土异形柱和工形钢梁节点的滞回性能和耗能能力，以及焊缝质量对节点的承载能力、变形能力和耗能能力都有重要影响。

通过许多学者的研究，证明了钢管混凝土柱子在建筑结构中的优越性，使得这种类型的柱子已经在许多工程中得到了应用，特别是在超高层建筑中，钢管混凝土异形柱得到了广泛应用，如北京财富二期办公楼、大连国贸中心大厦、天津117大厦、北京中国尊大厦等工程。结合实际用钢量并匹配建筑平面设计，钢管混凝土建筑中的边柱、角柱和中柱可以采用L形、T形和十字形异形柱。

通过对于钢管混凝土异形柱研究成果的分析可知，大多数学者都是集中于对其设计阶段受力性能的考虑，而对于在既有普通混凝土结构设计中，采用钢管混凝土异形柱代替其混凝土立柱进行优化设计的研究很少。因此，本文以一栋钢筋混凝土框架结构为例，结合钢管混凝土柱受力性能好，截面尺寸小的特点，利用其优化钢筋混凝土框架结构，以增加室内使用面积，为相关结构的设计优化提供理论支撑。

1 工程背景

某大厦，地上1-2层为自行车库，地上3-10层为办公区，地下一层为自行车库，该结构为钢筋混凝土框架结构，原有立柱设计为钢筋混凝土结构，地上墙体，外墙填充墙为250mmB06级加气混凝土砌块墙，内墙填充墙为蒸压轻质砂加气混凝土板材，厚度为200mm、100mm。结构原有立柱为矩形钢筋混凝土柱，截面尺寸分别为500mm×500mm,700mm×700mm,600mm×600mm,700mm×800mm等几种尺寸，由于墙柱相连处出现较大阳角，使得室内使用面积减小、装饰布置受限，并且影响视觉审美要求，所以拟采用箱型钢管混凝土异形柱等效代替原钢筋混凝土柱。

2 截面拟定

《钢管混凝土结构技术规范》(GB 50936-2014)[11]4.2.5条规定，钢管混凝土构件的截面刚度计算公式为：

EA=EsAs+EcAc

EI=EsIs+EcIc

GA=GsAs+GcAc

式中：EA为钢管混凝土柱的组合轴压刚度；EI为钢管混凝土柱的组合抗弯刚度；GA为钢管混凝土柱的组合剪切刚度；Es，Ec为钢管、钢管内混凝土的弹性模量；Gs，Gc为钢管、钢管内混凝土的剪变模量；As，Ac为钢管、钢管内混凝土的截面面积；Is，Ic为钢管、钢管内混凝土的截面惯性矩。

结合原有混凝土立柱的结构尺寸，在满足结构受力的条件下，现拟定2种不同方案的钢管混凝土异形柱尺寸，如表1、图1和图2所示。钢管混凝土异形柱外围钢板采用Q345钢，厚12mm，内部填充C40混凝土。

表1 钢筋混凝土柱及相应等效钢管混凝土异形柱初定截面形式及尺寸(mm)Tab.1 Initial section form and size of reinforced concrete columns and corresponding equivalent special-shaped columns(mm)

3 模型的建立

某大厦初始设计为小震弹性，参照《钢筋混凝土设计规范》[12]取结构层间位移角1/550。使用箱型钢管混凝土异形柱等效替换时，参照《钢管混凝凝土结构技术规范》，小震弹性取结构层间位移角为1/300。由于结构首层层高最大(4000mm)、长细比最大，按压弯构件设计计算时，其强度及稳定性最不利，所以计算模型取首层柱。轴向荷载选取初始设计中首层柱子轴向力最大值N，水平向荷载以层间位移角控制。计算模型如图3所示。