上海市宽肢异形柱结构体系研究和工程实践简介

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1、第十七届全国高层建筑结构学术会议论文2002年上海市宽肢异形柱结构体系研究和工程实践简介施永昌　田炜　　季征宇　黄磊（上海现代建筑设计集团都市建筑与住宅研究设计院上海200120）提要：扼要介绍上海市宽肢异形柱结构体系科研成果与应用。根据试验研究结果，阐述了长宽比在３～８实用范围内的宽肢异形柱作为构件的固有缺陷，和在双控条件下由它构成的结构具有理想的屈服机制。提出以梁铰机制作为小高层住宅结构的抗震对策和相应的设计方法。关键词：宽肢异形柱组合墙梁铰机制双控静力弹塑性分析1.前言住宅开发商、用户对住宅中柱甚至主梁不突出墙面的青睐和呼唤极大地推动着墙形柱（这里指肢宽比小于8

2、的异形柱）结构在全国广大地区的蓬勃发展。反过来，科研和设计人员对墙形柱框架结构进行大量科学试验、理论研究和工程实践也有力地促进和不断地满足着房产市场对丰富建筑户型和造型的需求。全国各地已建成几百万平方米的异形柱结构住宅。广东省和天津市还为这种结构体系制定地方规程。但是，这种结构体系尚未得到普遍认同，许多专家学者对此仍抱有疑虑，研究工作有待进一步深入。根据上海房屋建筑现状，今后10～15层是住宅建筑较为适宜的高度，称为小高层住宅建筑。小高层结构，由于结构高度增加，结构的层侧移刚度也必须增加，才能保证规定的侧移要求，同时要求结构有相应的抗震性能。由上海建筑设计研究院、都市

3、建筑设计与住宅研究设计院牵头，西安建筑科技大学、同济大学参加的课题组提出了用宽肢异形柱和组合墙来解决小高层住宅结构弹性刚度的研究。宽肢异形柱框架结构是指以宽肢异形柱为基础的框架结构，墙柱组合结构是指采用特殊施工工艺使砌体填充墙和宽肢异形柱作为整体起作用的框架-组合墙结构。上述两种结构统称宽肢异形柱结构体系。前者目的是用加大钢筋混凝土柱肢长度来提高结构刚度；后者目的是发挥填充墙的刚度作用，解决小高层刚度问题。施永昌，男，1941年出生，教授级高工本课题为上海市建委重点资助项目2.研究内容这次系统性研究包括一系列专题研究子课题，包括调研→组合墙结构形式→构件试验→平面结构

4、试验→大型三维结构拟动力试验研究→设计研究→试点工程（包括经济分析）→制定设计规程建议稿。调研工作主要总结异形柱已有的科研成果，使这次研究不做重复工作。在此基础上进行了36根大比例的宽肢异形柱（1:4,1:5,1:6）试验研究；根据掌握的构件特性，进行了3榀单层单跨、2榀单跨四层、2榀两跨两层的1/2缩尺寸的平面结构试验研究；在构件和平面结构研究基础上，进行了12层三维空间结构（1/3.2缩尺）大型拟动力试验研究；在试验研究的基础上，设计并建成两栋12层宽肢异形柱结构体系住宅楼。3.试验和理论研究的主要成果7第十七届全国高层建筑结构学术会议论文2002年钢筋混凝土结构

5、的性能不仅取决于单构件的性能，更重要取决于构件之间的组合关系。单构件试验的结论，在应用上有局限性。单构件试验的结论必须放回到结构中去验证，试验分析研究从结构层次考虑。3.1宽肢异形柱图1荷载在腹板平面时T形柱滞回曲线国内首次对Τ、L、十、Ζ形截面宽肢异形柱进行试验研究，全面考察了在低周反复荷载作用下不同截面肢长宽比、不同轴压比下，由弹性、弹塑性到破坏的全过程及破坏机理。1).不对称截面导致不对称延性，是该类构件的最大缺陷。发现了按常规配筋的宽肢异形柱的破坏特征:当荷载作用在腹板平面内，翼缘在受拉侧，异形柱小偏压脆性破坏；翼缘在受压侧时，异形柱大偏压延性破坏。这是由截面

6、不对称和配筋不对称决定的，对结构和抗震性能有重要影响。2).论证了不对称截面异形柱在结构中的受力特点，提出了自由柱和约束柱的概念。自由柱指一端为自由端另一端固定的柱，约束柱指在实际结构中受楼层约束的柱。理论论证和有限元分析证明:自由柱在荷载平行于中和轴时中和轴和翼缘斜交（见图2），约束柱在荷载沿工程轴平行时，中和轴和翼缘平行（见图3）。在沿工程轴方向荷载作用下，自由柱处于双偏压状态，约束柱处于单偏压状态。前者按双偏压进行计算正截面配筋，设计存在不安全隐患，后者按一般单偏压构件计算。图3约束L形柱的截面正应力分布图2自由L柱截面正应力分布3).翼缘对斜截面极限承载力的影

7、响不可忽略。与一般梁板和型钢相比，宽肢异形柱的翼缘较厚，能分担不可忽略的部分剪应力，同时翼缘对腹板斜裂缝的开展有约束作用。暗柱不仅能减少配筋不对称影响，增加构件延性，而且暗柱有抑制斜裂缝生成和发展的作用，提高了斜截面的极限承载力，所以暗柱应是宽肢异形柱重要组成部分。提出了弹塑性的恢复力模型。3.2组合墙1).提出了组合墙的结构形式7第十七届全国高层建筑结构学术会议论文2002年这种结构由先砌墙和水平构造梁，后浇筑异形柱，以填充墙为底模浇筑框架梁的施工工艺为保证。组合墙有很好的整体性，不同于一般填充墙，可作为不同材料的剪力墙，可以充分利用填充墙砌体的刚