岩土工程师考点:异形柱结构
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发布时间：2023-05-06 17:07
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时间：2023-11-21 22:54
2017岩土工程师考点：异形柱结构
异形柱是异形截面柱的简称。这里所谓"异形截面"，是指柱截面的几何形状与常用普通的矩形截面相异而言。下面我为大家准备了关于异形柱结构的知识点，欢迎阅读。
异形柱结构型式及其计算
异形柱结构型式有异形柱框架结构、异形柱框架—剪力墙结构和异形柱框架—核心筒结构。
异形柱结构自身的特点决定了其受力性能、抗震性能与矩形柱结构不同。由于异形柱截面不对称，在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带来的影响不容忽视。因此，对异形柱结构应按空间体系考虑，宜优先采用具有异形柱单元的计算程序进行内力与位移分析。因异形柱和剪力墙受力不同，所以计算时不应将异形柱按剪力墙建模计算。
当采用不具有异形柱单元的空间分析程序(如TBSA 5.0)计算异形柱结构时，可按薄壁杆件模型进行内力分析。
对异形柱框架结构，一般宜按刚度等效折算成普通框架进行内力与位移分析。当刚度相等时，矩形柱比异形柱的截面面积大。一般，比值(A矩/A异)约在1.10-1.30之间[1]。因此，用矩形柱替换后计算出的轴压比数值不能直接应用于异形柱，建议用比值(A矩/A异)对轴压比计算值加以放大后再用于异形柱。
对有剪力墙(或核心筒)的异形柱结构，由于异形柱分担的水平剪力很小，由此产生的翘曲应力基本可以忽略，为简化计算，可按面积等效或刚度等效折算成普通框架—剪力墙(或核心筒)结构进行内力与位移分析。按面积等效更能反映异形柱轴压比的情况，且面积等效计算更为简便。但应注意，按面积等效计算时，须同时满足下面两式：
A矩=A异;(2)| b/h=(Ix异/Iy异)
式中，A矩、A异——分别为矩形柱和异形柱的截面面积;
b、h——分别为矩形截面的宽和高;
Ix异 、Iy异——分别为异形柱截面x、y向的主形心惯性矩。
一般，按面积等效计算时，矩形柱的惯性矩比异形柱的小。但对有剪力墙(或核心筒)的异形柱结构，计算分析表明[2]，按面积等效与按刚度等效的计算结果是接近的。
异形柱的截面设计，可根据上述方法得出的内力，采用适合异形柱截面受力特性的截面计算方法进行配筋计算。
与剪力墙相连的梁称为连梁。连梁一般具有跨度小，截面大，与连梁相连的墙体刚度又很大等特点。因此，高层建筑在水平力作用下，连梁的内力往往很大。设计时，即使采取了降低连梁内力的各种措施，如：加大剪力墙的洞口宽度;在连梁中部开水平缝，在计算内力和位移时对连梁刚度进行折减，对局部内力过大层的连梁内力进行调整等，仍无法使连梁的截面设计符合要求。由于设计规范对此没有明确规定，因此，设计时感到无所适丛。而设计、构造不当将会造成结构在抵抗水平力时的强度、刚度不符合要求，进而影响承受竖向荷载的能力。本文将讨论高层建筑剪力墙中连梁设计的几个问题，并提出相应的建议。对于一端与墙相连，一端与框架柱相连的梁，可以看成是连梁的一个特例。
剪力墙结构的超长问题
1. 混凝土规范9.1.1条规定现浇混凝土剪力墙结构的温度伸缩缝最大间距当在室内或土中时为45m，露天时为30m;而现浇框架剪力墙或框架核心筒结构的伸缩缝间距可取45~55m.规范的这一规定显然与现今建筑的体量越来越大但功能又要求不设缝发生矛盾;因此目前许多工程中的伸缩缝间距都突破了规范的规定，也造成了设计人员在设计中遇到超长结构时的胆量越来越大。笔者认为今后当剪力墙结构超长时，应该慎重处理为好，过长时应该尽量设置温度伸缩缝，宜较严格遵守规范规定的限值，理由如下：
①. 剪力墙结构刚度大，受温差影响大，混凝土的收缩、徐变产生的变形大，墙体对楼面、屋面产生的约束也大;当结构发生收缩变形时比其他结构易出现裂缝。一些未超长的剪力墙结构产生墙体或楼面裂缝，其主要原因就在此。
②. 剪力墙结构多用于商品住房和公寓，使用状况复杂，一旦私人购买的房子出现裂缝，虽然没有安全问题，但处理起来问题多，难度大，社会影响大。
③. 混凝土结构受温度或收缩徐变的影响与众多因素有关;而体型庞大的剪力墙房屋往往形状复杂，混凝土收缩大，约束应力积聚也大，施工工艺及管理也难控制，环境影响使用变化难于判断，因此更难于解决混凝土收缩变形时，在受约束条件下引起拉应力而保证不出现裂缝。
④. 目前混凝土的收缩量不断增大，已由80年代的一般收缩量300με上升到400με以上，因此使混凝土用量大的剪力墙产生裂缝的因素在增大。
⑤. 目前随着市场形势的变化，大部分工程要赶工加班，质量难保证，为赶工混凝土中水泥用量普遍增大，使混凝土收缩量增大，加上由于混凝土强度的提高，使弹性模量增加将引起更大的约束拉应力产生，使结构出现裂缝的因素增多。
⑥. 普遍使用商品混凝土泵送施工，为了泵送，增大水泥用量，减少了中粗骨料含量和骨料粒径，加上泵送混凝土配合比和施工送料时的不良因素影响等都加大了结构收缩量，增加产生裂缝的因素。
综上所述，今后在处理超长结构时，特别是处理超长的剪力墙结构时要特别慎重;当发生实在由于建筑使用功能要求不允许超长建筑设永久缝时，建议采用对结构施加预应力的方法并结合采用设计构造措施、施工措施共同给予处理。
联肢墙在水平力作用下的破坏机制
高层建筑联肢墙在水平力作用下的破坏分为脆性破坏(即剪切破坏)和延性破坏(即弯曲破坏)两种。联肢墙的脆性破坏又可分为两种情况。一种是脆性破坏发生于墙肢。墙肢由于抗剪能力不够而发生剪切破坏，会使剪力墙很快丧失承载能力。造成结构的突然倒塌。这是设计所应该绝对避免的。抗震规范里规定了抗震墙截面的剪压比限值和抗震等级为一、二级时抗震墙底部加强部位剪力设计值的放大系数，就是为了防止剪力墙早于弯曲破坏而发生剪切破坏。脆性破坏的第二种情况是连梁发生剪切破坏。连梁发生剪切破坏会使联肢墙各墙肢丧失连梁对墙肢的约束作用。在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时，联肢墙的各墙肢将成为单片的独立墙，这会使结构的侧向刚度大大降低，墙肢弯矩j加大。抗震规范里规定了连梁截面的剪压比限值和抗震等级为一、二级时连梁端部剪力设计值的调整系数，也是为了防止连梁早于弯曲破坏发生剪切破坏。但是，和第一种墙肢发生剪切破坏相比，连梁发生剪切破坏时结构尚未丧失承载能力，在墙肢破坏前，只要所考虑的连梁不承担较大的竖向荷载，还不会造成结构的倒塌。
剪力墙的延性破坏也可分为两种情况。一种是连梁不屈服，墙肢首先发生弯曲破坏，这种墙在破坏时的极限变形较小。因此，对有抗震设防要求的建筑来说，它虽然是一种延性破坏，但吸收地震能量的.能力是较低的。设计中应避免这种情况的发生。延性破坏的第二种是连梁先屈服，最后是墙肢的屈服。当连梁有足够的延性时，它能通过塑性铰的变形吸收大量的地震能量。同时，通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力，对墙肢起到一定的约束作用，使联肢墙保持足够的刚度和强度。这是设计时应首先考虑做到的。为了保证联肢墙的延性要求，对连梁的延性要求是非常高的。因此，在设计高层建筑剪力墙时，必须十分注意保证连梁的延性要求。
以上主要从抗震的角度分析了联肢墙的破坏机制。对于非抗震的情况，水平作用力主要是风荷载。风荷载是一种实实在在的荷载，不能通过结构的塑性变形来减少风荷载。但可以通过结构的塑性变形将荷载分布到其他尚未屈服的构件。通过内力重分布提高结构的整体承载能力，避免由于个别构件的破坏造成整个结构丧失承载能力。因此，以上关于联肢墙破坏机制的讨论在非抗震设计中是同样有意义的。
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时间：2023-11-21 22:55
2017岩土工程师考点：异形柱结构
异形柱是异形截面柱的简称。这里所谓"异形截面"，是指柱截面的几何形状与常用普通的矩形截面相异而言。下面我为大家准备了关于异形柱结构的知识点，欢迎阅读。
异形柱结构型式及其计算
异形柱结构型式有异形柱框架结构、异形柱框架—剪力墙结构和异形柱框架—核心筒结构。
异形柱结构自身的特点决定了其受力性能、抗震性能与矩形柱结构不同。由于异形柱截面不对称，在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带来的影响不容忽视。因此，对异形柱结构应按空间体系考虑，宜优先采用具有异形柱单元的计算程序进行内力与位移分析。因异形柱和剪力墙受力不同，所以计算时不应将异形柱按剪力墙建模计算。
当采用不具有异形柱单元的空间分析程序(如TBSA 5.0)计算异形柱结构时，可按薄壁杆件模型进行内力分析。
对异形柱框架结构，一般宜按刚度等效折算成普通框架进行内力与位移分析。当刚度相等时，矩形柱比异形柱的截面面积大。一般，比值(A矩/A异)约在1.10-1.30之间[1]。因此，用矩形柱替换后计算出的轴压比数值不能直接应用于异形柱，建议用比值(A矩/A异)对轴压比计算值加以放大后再用于异形柱。
对有剪力墙(或核心筒)的异形柱结构，由于异形柱分担的水平剪力很小，由此产生的翘曲应力基本可以忽略，为简化计算，可按面积等效或刚度等效折算成普通框架—剪力墙(或核心筒)结构进行内力与位移分析。按面积等效更能反映异形柱轴压比的情况，且面积等效计算更为简便。但应注意，按面积等效计算时，须同时满足下面两式：
A矩=A异;(2)| b/h=(Ix异/Iy异)
式中，A矩、A异——分别为矩形柱和异形柱的截面面积;
b、h——分别为矩形截面的宽和高;
Ix异 、Iy异——分别为异形柱截面x、y向的主形心惯性矩。
一般，按面积等效计算时，矩形柱的惯性矩比异形柱的小。但对有剪力墙(或核心筒)的异形柱结构，计算分析表明[2]，按面积等效与按刚度等效的计算结果是接近的。
异形柱的截面设计，可根据上述方法得出的内力，采用适合异形柱截面受力特性的截面计算方法进行配筋计算。
与剪力墙相连的梁称为连梁。连梁一般具有跨度小，截面大，与连梁相连的墙体刚度又很大等特点。因此，高层建筑在水平力作用下，连梁的内力往往很大。设计时，即使采取了降低连梁内力的各种措施，如：加大剪力墙的洞口宽度;在连梁中部开水平缝，在计算内力和位移时对连梁刚度进行折减，对局部内力过大层的连梁内力进行调整等，仍无法使连梁的截面设计符合要求。由于设计规范对此没有明确规定，因此，设计时感到无所适丛。而设计、构造不当将会造成结构在抵抗水平力时的强度、刚度不符合要求，进而影响承受竖向荷载的能力。本文将讨论高层建筑剪力墙中连梁设计的几个问题，并提出相应的建议。对于一端与墙相连，一端与框架柱相连的梁，可以看成是连梁的一个特例。
剪力墙结构的超长问题
1. 混凝土规范9.1.1条规定现浇混凝土剪力墙结构的温度伸缩缝最大间距当在室内或土中时为45m，露天时为30m;而现浇框架剪力墙或框架核心筒结构的伸缩缝间距可取45~55m.规范的这一规定显然与现今建筑的体量越来越大但功能又要求不设缝发生矛盾;因此目前许多工程中的伸缩缝间距都突破了规范的规定，也造成了设计人员在设计中遇到超长结构时的胆量越来越大。笔者认为今后当剪力墙结构超长时，应该慎重处理为好，过长时应该尽量设置温度伸缩缝，宜较严格遵守规范规定的限值，理由如下：
①. 剪力墙结构刚度大，受温差影响大，混凝土的收缩、徐变产生的变形大，墙体对楼面、屋面产生的约束也大;当结构发生收缩变形时比其他结构易出现裂缝。一些未超长的剪力墙结构产生墙体或楼面裂缝，其主要原因就在此。
②. 剪力墙结构多用于商品住房和公寓，使用状况复杂，一旦私人购买的房子出现裂缝，虽然没有安全问题，但处理起来问题多，难度大，社会影响大。
③. 混凝土结构受温度或收缩徐变的影响与众多因素有关;而体型庞大的剪力墙房屋往往形状复杂，混凝土收缩大，约束应力积聚也大，施工工艺及管理也难控制，环境影响使用变化难于判断，因此更难于解决混凝土收缩变形时，在受约束条件下引起拉应力而保证不出现裂缝。
④. 目前混凝土的收缩量不断增大，已由80年代的一般收缩量300με上升到400με以上，因此使混凝土用量大的剪力墙产生裂缝的因素在增大。
⑤. 目前随着市场形势的变化，大部分工程要赶工加班，质量难保证，为赶工混凝土中水泥用量普遍增大，使混凝土收缩量增大，加上由于混凝土强度的提高，使弹性模量增加将引起更大的约束拉应力产生，使结构出现裂缝的因素增多。
⑥. 普遍使用商品混凝土泵送施工，为了泵送，增大水泥用量，减少了中粗骨料含量和骨料粒径，加上泵送混凝土配合比和施工送料时的不良因素影响等都加大了结构收缩量，增加产生裂缝的因素。
综上所述，今后在处理超长结构时，特别是处理超长的剪力墙结构时要特别慎重;当发生实在由于建筑使用功能要求不允许超长建筑设永久缝时，建议采用对结构施加预应力的方法并结合采用设计构造措施、施工措施共同给予处理。
联肢墙在水平力作用下的破坏机制
高层建筑联肢墙在水平力作用下的破坏分为脆性破坏(即剪切破坏)和延性破坏(即弯曲破坏)两种。联肢墙的脆性破坏又可分为两种情况。一种是脆性破坏发生于墙肢。墙肢由于抗剪能力不够而发生剪切破坏，会使剪力墙很快丧失承载能力。造成结构的突然倒塌。这是设计所应该绝对避免的。抗震规范里规定了抗震墙截面的剪压比限值和抗震等级为一、二级时抗震墙底部加强部位剪力设计值的放大系数，就是为了防止剪力墙早于弯曲破坏而发生剪切破坏。脆性破坏的第二种情况是连梁发生剪切破坏。连梁发生剪切破坏会使联肢墙各墙肢丧失连梁对墙肢的约束作用。在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时，联肢墙的各墙肢将成为单片的独立墙，这会使结构的侧向刚度大大降低，墙肢弯矩j加大。抗震规范里规定了连梁截面的剪压比限值和抗震等级为一、二级时连梁端部剪力设计值的调整系数，也是为了防止连梁早于弯曲破坏发生剪切破坏。但是，和第一种墙肢发生剪切破坏相比，连梁发生剪切破坏时结构尚未丧失承载能力，在墙肢破坏前，只要所考虑的连梁不承担较大的竖向荷载，还不会造成结构的倒塌。
剪力墙的延性破坏也可分为两种情况。一种是连梁不屈服，墙肢首先发生弯曲破坏，这种墙在破坏时的极限变形较小。因此，对有抗震设防要求的建筑来说，它虽然是一种延性破坏，但吸收地震能量的.能力是较低的。设计中应避免这种情况的发生。延性破坏的第二种是连梁先屈服，最后是墙肢的屈服。当连梁有足够的延性时，它能通过塑性铰的变形吸收大量的地震能量。同时，通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力，对墙肢起到一定的约束作用，使联肢墙保持足够的刚度和强度。这是设计时应首先考虑做到的。为了保证联肢墙的延性要求，对连梁的延性要求是非常高的。因此，在设计高层建筑剪力墙时，必须十分注意保证连梁的延性要求。
以上主要从抗震的角度分析了联肢墙的破坏机制。对于非抗震的情况，水平作用力主要是风荷载。风荷载是一种实实在在的荷载，不能通过结构的塑性变形来减少风荷载。但可以通过结构的塑性变形将荷载分布到其他尚未屈服的构件。通过内力重分布提高结构的整体承载能力，避免由于个别构件的破坏造成整个结构丧失承载能力。因此，以上关于联肢墙破坏机制的讨论在非抗震设计中是同样有意义的。
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