浅析型钢混凝土异形柱设计方法

摘要:本文从设计的角度出发,研究截面尺寸的选取,分析SRC异形柱最小混凝土保护层厚度,截面型钢的配置方式和合理的截面配钢率。选择合理的截面、配钢形式及配钢率,对减小设计工作量具有很重要的意义。

关键词:型钢混凝土;异形柱;设计

中图分类号:TU375

文献标识码:B

文章编号:1008-0422(2009)11-0109-02

1前言

SRC异形柱的设计和普通SRC结构一样,都是首先根据相关要求或经验拟定构件的截面的形式、尺寸、配钢方式、配钢量、钢筋和箍筋、混凝土强度等级,再验算截面是否满足结构体系内力要求,若不满足要求,则重新选择结构构件的型钢配置、钢筋、混凝土强度等级,验算其承载力,按以上步骤反复计算,直至构件能满足体系的要求为止。

2截面形式和尺寸

异形柱常见的截面形式有T形、L形和十形三种。这是根据建筑使用功能和建筑设计布置的要求而定的,一般角柱为L形,边柱为T形,中柱为十形。为了保持房间不露出柱楞的优点,SRC异形柱的柱肢与隔墙等厚,考虑减轻结构自重、环保节能等因素,柱肢的厚度一般不会大,在我国通常采用200mm及240mm两种,肢高不应小于500mm,并且柱的高厚比不能大于4。常见的肢高厚比有2.5, 3.0, 3.5, 4.0几种。实际工程设计时,在建筑布置允许的情况下,尽可能的采用较大肢高厚比的异形柱,当然还要满足肢高厚比不大于4的要求。

3混凝土保护层厚度

3.1混凝土保护层的作用

SRC结构中,型钢被混凝土包裹在里面。型钢外边缘到混凝土表面的最小距离称为混凝土保护层厚度。它具有以下作用:

(1)对型钢和钢筋起到保护的作用,改善了构件的防火、防腐、防锈能力,提高了耐久性。

(2)维持型钢和混凝土之间的握裹力,提供型钢和混凝土之间的粘结力,使混凝土与型钢共同工作。

(3)对型钢起到约束作用,能有效地防止型钢发生屈曲和失稳,提高构件的刚度,所以SRC结构通常不需要焊接任何防止钢材局部屈曲的加劲肋。

3.2混凝土保护层厚度的确定

要合理确定SRC异形柱的混凝土保护层厚度必须同时满足以下几个约束条件,方能达到安全、适用、经济的目的。

3.2.1保护层混凝土不发生失稳的最小厚度

SRC异形柱作为一种新型组合结构,确保型钢与混凝土保持协同工作是十分关键的问题,如果混凝土保护层厚度过小,可能会出现在型钢尚未达到屈服强度前,保护层混凝土屈曲失稳破坏,从而导致构件承载力的降低。把混凝土保护层视为一块薄板,根据板的弹塑性屈曲理论,可以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。

把SRC异形柱中型钢翼缘外侧的混凝土保护层视作一块宽度为bf、长度为lc ,厚度为cs的混凝土薄板,根据柱的受力状态,可将此混凝土板简化为三边简支、一边自由的单向均匀受压板,计算简图如图1所示。

根据板的弹塑性稳定理论[fgl,此混凝土板的弹塑性屈曲应力为:

(1)

式中:E}为混凝土弹性模量, ,v为混凝土的泊松比,一般取0.2;η为板的弹塑性屈曲系数, ;Et为混凝土的切线模量, 。

混凝土的弹塑性屈曲应力的计算公式(1)中,弹塑性系数η的取值是个核心问题,它与混凝土的切线模量E}有关,能求出混凝土屈曲时的切线模量Et,也就能求出屈曲应力。可以认为当Et = 7MPa时,己是一个很小的值,从混凝土的应力应变曲线看,此时混凝土的塑性变形已得到充分的发展,此时求出的应力可近似认为是混凝土板的弹塑性屈曲应力。要保证混凝土板在达到受压强度之前,不会发生失稳破坏,只要满足屈曲应力小于或等于抗压强度即可,即。由此可推导出,确保混凝土板在达到受压强度之前,不发生失稳破坏的最小保护层厚度的计算式为:

(2)

美国学者Richard. Furlong曾根据板的弹性屈曲理论,同时考虑了混凝土在受载后期的弹塑性性能,在缺乏试验数据的情况下,将混凝土的切线模量Et取一个很小的值,取式

,推导出型钢混凝土柱的临界保护层厚度为:

(3)

式中:为混凝土圆柱体抗压强度,换算成我国立方体强度为:

(4)

根据式(2)和式(3)可分别求出对应不同混凝土强度等级时的混凝土保护层厚度与型钢翼缘宽度的临界相对值,见表1。

由表1可见,确保不发生失稳破坏的最小保护层厚度的取值,与型钢翼缘宽度和混凝土的强度等级有关。

2.2.2混凝土保护层开裂的临界保护层厚度

试验表明,当混凝土保护层厚度较小时,混凝土保护层容易开裂,从而导致型钢与混凝土的粘结强度降低,混凝土保护层在一定范围内厚度越大,粘结力越大,但是当混凝土保护层厚度达到一定厚度而不开裂时,粘结强度也不会随着保护层厚度的增大而增加。因此,从确保混凝土保护层不开裂的角度,可以确定一个最小保护层厚度。为了能求出最小开裂混凝土保护层厚度,本文作了以下假定:

(1)开裂面混凝土达到抗拉强度;

(2)混凝土对翼缘的挤压力均匀分布在翼缘上;

(3)粘结力失效前,型钢向混凝土中扩散力的角度是45°;

(4)混凝土沿翼缘肢尖45°方向开裂。

根据力的平衡条件得:

(5)

(6)

式中 为翼缘边长上的平均粘结应力,根据C. W. Roeder的试验结果进行回归分析得:

(7)

将(7)式代入(6)式可求得:

(8)

由(8)式可见:混凝土保护层开裂时的临界保护层厚度与型钢翼缘的宽度有关。

2.2.3从耐久性角度考虑混凝土保护层厚度

构件的耐久性与混凝土保护层厚度、混凝土强度等级以及构件使用环境有关,一般混凝土强度等级越高,环境好,混凝土保护层厚度则可越小,就能满足结构的耐久性要求。参照我国现行混凝土结构设计规范,对于50年设计使用年限的SRC异形柱的混凝土最小保护层厚度取值。

2.2.4从防火性能、结构刚度的角度考虑混凝土保护层厚度

世界上早期的SRC结构是出于对钢柱的防火性要求,而将它们置于混凝土内,这也是SRC结构的起源,防火性能好是SRC结构的优点之一,混凝土保护层厚度直接影响到防火性能的好坏,对于有防火要求的异形柱框架结构,参照文献,SRC异形柱,当混凝土保护层厚为60mm时,可耐火3h,当混凝土保护层厚为50~时,可耐火2h。早期的SRC结构只考虑外包混凝土作为防火层而不考虑其对受力性能的影响,后来通过大量的试验研究发现混凝土外壳,使柱的强度、刚度有显著提高,从提高结构刚度的角度出发,规定了混凝土保护层厚度为40mma。

2.3 SRC异形柱混凝土保护层厚度的取值

综合以上各方面的分析,可见型钢翼缘宽度、混凝土强度等级对保护层厚度的取值有直接影响。只要确定型钢翼缘宽度、混凝土强度等级、构件的使用环境、耐久性要求以及防火性能要求,就可以确定混凝土保护层厚度。首先分别从以上几个方面进行考虑,然后取一个最大值就是该异形柱的混凝土保护层厚度。

结合实际工程,在我国常用异形柱的柱肢厚度有240mm及200mm两种。因此能够包含在异形柱中型钢翼缘宽度同样不会很大。对于型钢翼缘侧面的混凝土保护层厚度,由于翼缘本身的厚度不大,可以参照钢筋混凝土规范采用,主要需要研究解决的是翼缘正面一侧的混凝土保护层厚度。为了便于说明问题,以下给出算例,以起到示范作用,在工程设计中,应根据具体情况可以参照算例的方法计算不同情况的混凝土保护层厚度。

3截面配钢形式及配钢率

本课题组的试验研究己经表明,SRC异形柱与钢筋混凝土异形柱相比,截面承载力明显提高、构件的抗震性能明显改善。SRC异形柱的截面承载力与与截面的配钢形式、配钢位置、配钢率等因素有关。而且异形柱的柱肢较窄而细长,且保护层厚度大,因此,进一步深入研究SRC异形柱合理的配钢形式具有重要的意义。

3.1配角钢

根据已有的试验,采用焊接热轧角钢,肢厚为300mm,肢高厚比为30L形异形柱在肢端和翼缘腹板交接处加入了角钢,T形异形柱在柱子的翼缘加入了角钢,在腹板部分配的是工字钢,其它都是按构造配筋。与不加型钢的相同截面尺寸的异形柱构件相比,加入了型钢的异形柱正截面的承载能力明显提高很多。

3.2配槽钢

槽钢或者是加厚腹板的槽钢配在各柱肢端部,然后在槽钢翼缘外侧焊接腹杆或腹板,在空间上形成析架。采用这种配钢方式,不但空间钢架自身的刚度大,并且纵向槽钢与腹杆之间形成一个箍,对内部混凝土起到一定的约束作用,从而更有利于提高构件的承载力和延性。试验研究结果表明,对于配置槽钢的SRC异形柱,承载力提高很大,延性好,有利于抗震。

此外,配置槽钢可以不配纵向钢筋,但箍筋对约束混凝土作用很大,仍然是必须的。配槽钢形式的SRC异形柱加工简单,施工相对方便,有很大的推广价值。

3.3配T形型钢

配T形型钢SRC异形柱,根据本文的试验研究结果,SRC异形柱的配钢,除在各肢的肢端配有纵向型钢外,且把各肢端型钢用钢板或者角钢连接起来了,在空间形成了一个析架。这种配钢形式在整体受力上优于没有焊接腹杆的,有利于提高柱子的正截面的承载力与剪切承载力。分析计算数据,能明显得出承载力提高很多,且可看出偏心距越大的,其承载力提高得越多。

3.4配钢率

配钢率对型钢混凝土异形柱的承载力有很大的影响。如果型钢的配钢率过低,则达不到承载力和抗震性能比RC异形柱有明显提高的目的;如果型钢配钢率太大,必定会减少混凝土的面积,从而影响到混凝土对型钢的握裹作用,而且施工时太多的型钢会导致混凝土浇筑不密实,降低型钢与混凝土的协同工作能力。

我国现行的两部规程对型钢配钢率规定也不一致,《钢骨混凝土结构设计规程》(YB9082-97),型钢的配钢率须大于2%且不大于15%;而《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138-2001),规定受力型钢含钢率不宜小于4%,也不宜大于10%。根据本文的试验,试件的配钢率在3.75%-11.21%时型钢和混凝土还是能保持较好的协同工作。一般来说,配钢率在4%-12%之间都是可行的。本文建议较为合理配钢率为5%-8%。

参考文献:

[1]赵鸿铁.钢与混凝土组合结构[M].北京:科学出版社,2001.

[2]陈宗平,赵鸿铁等.型钢混凝土异形柱截面配钢分析闭.哈尔滨工业大学学报,2005,37(8).

[3]广东省标准《钢筋混凝土异形柱设计规程》(DBJ/T 15-15-95) [S],1995.

[4]陈宗平,赵鸿铁等.型钢混凝土异形柱的混凝土保护层厚度田.哈尔滨工业大学学报,2005 37(8).