型钢混凝土异形柱的基本力学行为及轴压比限值的研究

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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（SR

2、C）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２SRC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

3、护层厚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）（2-

4、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，考虑到地震作用具有往

5、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。3SRC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3.1L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称必定会发生双偏

6、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方向的刚体平移时，柱当且仅当发

7、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。4SRC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、钢管混凝土异形柱、SRC异形

8、柱，目的之