建筑结构设计中短柱延性
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发布时间：2022-11-03 02:29
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时间：2023-10-27 01:57
建筑结构设计中短柱延性
在日常学习、工作生活中，大家都写过论文吧，借助论文可以达到探讨问题进行学术研究的目的。相信写论文是一个让许多人都头痛的问题，下面是我帮大家整理的建筑结构设计中短柱延性论文，仅供参考，希望能够帮助到大家。
对于短柱而言，其抗弯承载力与抗剪承载力要大很多，所以在地震作用下，抗剪承载力如果受到破坏后，抗弯强度再大也都无法发挥出来。
摘要：
随着社会经济的发展，高层建筑在诸多城市建设中不断涌现出来。在对高层建筑进行设计的时候，多数设计都可以采用计算软件进行设计，降低了设计人员的工作量，但还有一部分工作需要设计人员进行操作，即按照软件计算结果计算建筑的受力状态，对建筑结构构造措施进行设计。本文主要针对高程建筑中短柱延性设计的提升进行分析和研究。
关键词：
高层建筑；结构设计；短柱延性；分析
在高层建筑建设中，短柱的应用已经比较普遍，而在层高设计一定的情况下，为了使建筑延性提高，需要增加柱截面积，降低轴压比，轴压比越小，柱截面积越大。所以，在高层建筑结构设计中，为了对轴压比限值进行满足，往往需要将柱的截面积提高，出现短柱构造，甚至是超短柱构造。而在抗震性能的要求下，短柱要求具有足够的抗震性能，需要将短柱延性进行提高，本文也针对建筑结构设计中延性提高的方法进行分析。
1、确定短柱的方法
根据相关要求，短柱的定义为柱子净高（H）比截面高度（h），即H/h≤4时，将该柱称为短柱，在建筑施工中，施工技术人员对短柱进行判定的时候多数都按照该判定方法来确定。该判定方法用到的参数只是层高与柱截面的关系，而对柱本身的内力关系没有应用。而按照材料力学、结构力学理论，根据剪跨比（λ）也可作为短柱的衡量依据，即λ=M/Vh≤2时，该柱也为短柱，但是与层高与柱截面的关系下的H/h≤4的短柱判定方法相比，在这一条件下，λ的取值未必小于2，即不一定是短柱。在多数设计中，设计人员都采用H/h≤4来判断短柱，主要依据的原理包含以下几个方面：首先，λ=M/Vh≤2；其次，因为框架柱反弯点多数都已交接近柱中点，因此M取值为0。5VH，则此时λ≤2，即H/h≤4。但是在高层建筑中，由于柱、梁线刚度比较小，特别是建筑底部基层，柱体嵌固的影响比较大，并且柱受梁的约束弯矩较小，反弯点高度大于柱高的一半，甚至反弯点不存在，此时如果仍采用H/h≤4来判断短柱是不合理的，应该采用λ=M/Vh≤2进行判定。如果反弯点没有在柱中点，那么柱上部与下部截面弯矩值是不同的，即Mh≠Mt。
所以，上部与下部的剪跨比也不同，即λh=Mh/Vh≠λt=Mt/Vt。这个时候，对短柱进行判断时，采用哪一个截面剪跨比判断，是一个重点考虑的问题。经过分析研究，认为取二者中的较大值作为判定短柱的依据，即λ=max（λh，λt），其原因包含以下方面：第一，框架柱可看做一个连续梁，受定值轴压力，柱高（Hn）类似于连续梁的剪跨，相关试验研究显示，连续梁剪跨一定时，在截面下部、上部配置同样的纵筋，在弯矩较大的区段会出现剪切破坏；第二，在框架柱中，弯矩较大的区段也会发生临界斜裂缝。实际上，在连续梁剪跨或柱高范围内，在弯矩较大的区段上会出现最大剪跨比。
随着剪跨比的增大，钢筋混凝土构件的抗剪力会降低。因此，在相同条件下，弯矩较小区段的抗剪承载力要比弯矩较大区段的抗剪承载力要大。在荷载作用下，弯矩较大区段上发生剪切破坏的可能性大于弯矩较小区段。所以，将上端和下端截面中剪跨比较大的值作为判断短柱的剪跨比值，是符合要求的。通常而言，位于高层建筑底部基层中框架柱的反弯点都是位于柱上部的，即Mb>Mt。
这个时候，对短柱进行判定的时候，可按照以下公式进行，式（1）：Hn/h≤2/yn，式中，Hn表示n层柱的净高。yn表示n层柱的反弯点高度比，按照几何关系，可知：yn=1/（1+ψ），其中，ψ=Mt/Mb，0≤ψ≤Hn。如果反弯点出现在柱的中点，则有ψ=1，yn=0.5，则式（1）：Hn/h≤4；如果反弯点在柱上端，则ψ=0，yn=1，则式（1）：Hn/h≤2；如果不存在反弯点，则可直接按照最大弯矩作用截面的剪跨比λ=M/Vh≤2进行判断。通常而言，计算过程中，可对反弯点高度比yn按照D值法进行确定，然后根据式（1）计算对是否属于短柱进行初步判断。
2、提高短柱延性的措施
2.1使用钢管混凝土柱
在薄壁圆形钢管内填入混凝土构成的结构即为钢管混凝土。钢管对混凝土产生侧向约束力，混凝土处于受压状态，混凝土的抗压强度及极限压应变能力都得到提升，特别是对高强度混凝土延性的改善效果非常明显。除此以外，结构中钢管不但发挥了横向箍筋的作用，也发挥了纵筋的作用，管径与管壁厚度比值小于90，类似于混凝土配筋率超过4.6%，明显超出抗震要求中混凝土配筋率要求。
由于此类结构的抗压强度与抗变形能力非常好，即便是在高轴压比下，受压区都不会出现先破坏的现象，与钢柱相比，也不会出现屈曲失稳情况。所以，为了对截面转动能力进行控制，对轴压比限值不需要限定。钢管混凝土单支柱承载力计算可用公式（2）计算，式（2）：承载力≤Φ1ΦeNθ，式中，θ表示套箍指标，值域[0。3，3]。根据式（2），在套箍指标选择合适的情况下，使用高强度混凝土可使柱子的承载力大大提高，且柱截面可大大降低，比普通钢筋混凝土柱至少降低一半，消除了短柱，抗震性能能够大大提高。
2.2使用钢骨混凝土柱
将混凝土外包于钢骨即可构成钢骨混凝土柱。一半情况下钢骨的类型包含十字形截面、口字形截面和工字形截面集中，和钢结构对比，钢结构构件局部可能出现屈曲，而钢护混凝土柱由于钢构件外部包裹有混凝土，不会发生屈曲现象，柱子的整体强度得到了加强，钢材的强度可以有效的发挥出来。而且与一般钢结构柱相比，采用钢骨混凝土结构可降低一半以上的钢材用量。而与混凝土结构相比，由于钢骨的存在，使柱子的承载力大大提高，柱的截面积也有效的降低，由于混凝土在钢骨翼缘及箍筋作用下受到约束，提高了混凝土的延性，柱的延性与耗能能力都得到加强。该结构类型中，对混凝土与钢材的优势都得到了最大限度的发挥，具有延性好、截面小、自重轻等优势，在高层建筑中的应用对抗震性能可有效的改善。
2.3使用分体柱
对于短柱而言，其抗弯承载力与抗剪承载力要大很多，所以在地震作用下，抗剪承载力如果受到破坏后，抗弯强度再大也都无法发挥出来。所以，可将短柱的抗弯强度人为性的降低，使其略低于抗剪强度即可，在地震条件下，柱子抗弯强度受到发挥出现，呈现延性破坏作用。为了使抗弯强度降低，在柱中可沿竖向设置缝隙，将短柱一分为二或四部分，构成分体柱，各分体柱均单独配筋，在分体柱之间设置连接缝，使各分体柱的初期刚度增加。相关研究显示，分体柱与整体柱相比，抗剪能力基本一致，抗弯承载力降低，这就使柱子的变形能力与延性都得到了提升，由原来的抗剪型破坏形态转变为弯曲型破坏形态，也将短柱消除，变为分体长柱，对剪跨比λ≤2时的抗震性能有效的进行了改善。
3、结语
对短柱进行判断时，采用剪跨比λ≤2作为判断依据，要将短柱的截面尺寸尽可能的减小，使短柱的承载能力尽可能的提高，对短柱的延性采用各种方法进行提升，有效的提高短柱的抗震性能。在实践中，钢管混凝土、钢骨混凝土等结构类型，对短柱的承载能力提升效果非常显著，而分体柱在改善短柱抗震性能方面效果非常好。在高层建筑中的应用，也有效的减少了建筑底部几层结构中短柱及超短柱的出现，避免了因短柱脆性破坏造成的建筑抗震性能下降的问题出现。
参考文献：
[1]康洪涛，王兴洋.高层建筑抗震设计短柱问题的处理方案[J].科技信息，2013（12）：412.
[2]谢国.试论高层建筑框架结构的延性设计[J].河南科技，2013（13）：166+170.
【拓展内容】
建筑结构实习报告
我的建筑结构实习大致分为两部分：一是参观各种已投入使用的建筑，以此了解各种结构的分类和其不同的特点，二是参观建筑建设工地，了解如何将设计图通过施工做成实体的建筑。通过参观学习使我们对建筑施结构和施工有了初步的认识，这对我们将来的学习和实践起了提示了向导的作用。现在我将为实习的两个部分分别做总结。
一、参观认识各种建筑的结构
建工实验室是一座外表比较老式的工业厂房建筑，采用的是排架结构，通过老师的讲解我们知道，建筑的结构可用不同的分类标准进行分类，例如按照材料可分为：混泥土结构，砌体结构，钢结构，木结构，竹结构等，按照受力的不同又可分为：排架，框架，网架，拱，桁架等结构。实验室所采用的排架结构有施工方便的优点，一般用预制的构件，多用于建设一层的厂房。
实验室的顶部采用了预制钢筋混凝土行架梁和混凝土板，这种构造既笨重又*了梁的跨度，现在已经被广泛使用的钢桁架和钢板所取代，我们可以看到，为了减轻混凝土预制结构的自重，实验室内的梁都在中部做成了工字型，挖去了多余的混泥土，减轻了自重。
其两侧柱子是典型的工业厂房的柱式，上部有牛腿，用于安装吊车的轨道，同样，在中部做成工字型，并且为了增加稳定性，在两柱之间间隔设立了柱间支撑；另外在吊车轨的侧面，还增加了其与立柱的横向连接，因为在吊车的使用过程中，吊车的水平移动会产生水平荷载。
实验室的宽面也各设计了两根抗风柱，这些抗风柱和每隔一段距离设的梁使墙能有足够的刚度以抵抗强风的荷载。
然后是建筑节能实验室，这是一栋框架结构的砖混建筑。
框架结构是由基础、柱、梁、板组成的单层、多层建筑以及框架和剪力墙或框架与筒体组合的高层建筑，它们之间的连接是固接或称刚接，和建工实验室的排架结构不同，框架结构建筑的最优楼层在15—16层左右，而且框架结构在施工在多为现浇施工，而不是预制吊装。另外查找资料我知道：框架结构由梁柱构成，构件截面较小，因此框架结构的承载力和刚度都较低，它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，楼层越高，水平位移越慢，高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力，这时，现浇楼面也作为梁共同工作的，装配整体式楼面的作用则不考虑，框架结构的墙体是填充墙，起围护和分隔作用，框架结构的特点是能为建筑提供灵活的使用空间，但抗震性能差。
房屋的框架按跨数分有单跨、多跨；按层数分有单层、多层；按立面构成分有对称、不对称；按所用材料分有钢框架、钢筋混凝土框架、预应力混凝土框架、胶合木结构框架或钢与钢筋混凝土混合框架等。
建筑节能实验室的楼板是预制的钢筋混泥土板，这是一种单向板，通过老师讲解，我们了解到，各种板材可以根据其长宽比分为单向板和两向板，而长宽比的值在弹性理论和塑性理论是不同的，弹性理论为，塑性理论为，单向板在使用上只能在一个方向加以支撑，两向板则相反。
接下来我们参观汽车实验室，这是一栋钢结构的建筑。钢材的特点是强度高、自重轻、刚度大，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜；材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的.基本假定；材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载；建筑工期短；其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产；加工精度高、效率高、密闭性好。其缺点是耐火性和耐腐性较差。
在设计钢结构时，特别要考虑材料的失稳问题，因此在汽车实验室内的钢材上我们看到，每隔一段小距离，工型钢的腹板上就会加一道肋，以此解决稳定性问题。钢结构的施工一般是工厂预制各种构件，然后在施工现场拼装，拼装的连接方式有焊接，螺栓和铆接三种，其中焊接容易锈蚀，螺栓连接是强度上最高的，所以在对剪力荷载有较高要求的连接处，都使用了螺栓来加强，例如横梁和立柱的连接处。
最后我们参观了体育馆，了解桁架结构的特点，桁架是由许多杆件两端用销钉联结起来而组成的几何形状不变的结构。桁架中所有的杆件都在同一平面内的称为平面桁架，否则称为空间桁架。由于桁架结构使用材料比较经济，桁架本身重量轻，而且桁架的每根杆件只受拉伸或者压缩，所以能充分发挥材料的作用。像体育馆这种大型建筑，采用桁架结构可以节省花费并满足荷载要求。
二、参观建筑建设工地
我们参观了学校在建的十四层科技楼。当我们到达集合地点时，我看到同学们头上都戴着工程帽；同时工地的生活区与施工区的门上也写着：不戴安全帽者不得进如施工现场；当然在科技楼结构主体外面的防护网上也写着标语：安全责任，重于泰山；由此可见在建筑施工当中首先要注意的问题就是安全问题。过去由于生产企业不重视民工安全造成了很多工伤和死亡事故，这些事故给工人和企业带来了很大的损害！同时，为了确保施工能顺利进行和施工的安全，工地是要用砖墙围护起来的，只有建筑施工的各种车辆和内部人员才可以出入，我们实习也要经过他们的同意呢！
进到施工区，我们一眼就看到了科技楼的结构主体，当时结构主体给我的感觉就是不像建筑和不好看。这个可能是因为它和我所看到的过的已经建好并投入使用的楼不同。主体前面有个很大的场地，这个场地是堆放建筑材料用的，可以看到所堆放的建材主要是钢筋，没有水泥、砂、石之类的建材，这是因为现在已经都采用了成品混凝土来浇筑结构了。这样可以保证混凝土的质量，减少施工浪费和降低生产成本。在钢筋堆放区我们可以看到不同型号的钢筋是分开放的，而且还在其前面标明钢筋的型号和进场时间等信息。
我们跟着现场管理员上了楼，我们踏上用钢管和铁网搭接成的梯子，开始觉得很危险，四周都有伸出来的钢管或铁条。二三楼的模板和支架已经拆了，我们可以清楚地看到支撑上部重量的柱子很大，大到使我们都觉得层高变小了。在承重柱的四周有很多构造柱，它们是用来加大墙的强度的，以避免因墙身过长导致容易坍塌。一路上去，我们看到上面几层楼板的支架还没有拆，这些支架是用钢管和模板组成的，钢管很密，可见要承受完全没有强度的混凝土板和梁需要很大的支撑力。
上到第十层，我们看到工人们还在绑扎钢筋，柱和梁的钢筋已经绑扎好并放到了模板预留的槽里。我观察了其中的几条梁和柱，就像老师说的：梁的下部是首力筋，主梁有九条，次梁有六条；上不是架立筋，主梁和次梁也不同；受力筋和架力筋之间用箍筋绑扎。而柱子就不一样了，三四条梁要交汇于柱，就必然要使梁的钢筋穿过柱子，这样使得柱头的钢筋十分密集，同时浇筑混凝土时也要注意密实。板的配筋一般有受力筋和架力筋，受力筋在下方，分纵横两路；架力筋在上方，也是纵横两路放着。摆好的钢筋就要用铁丝绑扎好，为了保证面筋不被踩低下去，还要用马蹄筋将其抬高。在看板筋时我们发现连同钢筋一起铺设的还有电线管，这是电专业和结构专业合作的一个体现。
我们的现场参观时间很有限，只看到了工人在布置板筋，没有看到他们浇筑柱梁板，砌筑砖墙以及其它的施工情景，所以认识也是很片面的，这个只能作为我们对施工的感性认识吧！
小结：
在实习中我们的确接触了不少实际应用的东西，但离实际水平较高的生产方式和比较先进的技术还有很大的差距。我发现我们看到的生产工艺都是不算先进的，就像我们看录像的支模方式在科技楼还没有用上，而人家在八十年代初就已经开始使用了，这可能是因为施工单位的物资匹备不足，但先进的生产工艺确实可以提高施工进度和生产质量。
从建筑发展的趋势来看，钢结构越来越受到人们的重视和肯定，研究钢结构的受力和增强钢结构的耐火性是一个亟待深入的课题。
当然我们还是要立足于钢筋混凝土结构的学习，通过学习和实践使我们对建筑的构造有更深入的了解，并且不能忽视某些可能发生的隐患，以确保我们建造的高楼真正地能应付各种紧急情况。
建筑结构实训心得体会
实习目的：
通过这个星期的实习，让我们认识课程中所提到的一些结构及构件。弄懂一定的实际知识，并认识到实际工程中所遇到的一些问题及解决的方法。让我们将课本上生硬的知识实际化，为以后的设计课程奠定一定的基础。
实习内容：
在参观公共建筑时，了解了它的房屋内部，公共建筑的停车场中所涉及到的一些构件上的问题，由于此建筑并不需要很大的开敞空间，所以采用的是剪力墙结构，地下一层的柱子布置地较为粗大但并不密集所以给人的空间感觉并不拥挤，随同的设计人员向我们讲解了底层的管道布置和分类，并讲解了消防管道及生活用水管道等管道如何设置。说明了伸缩缝、施工缝、沉降缝的形成和处理方法。
比如说混泥土的裂缝原因：裂缝的原因混凝土中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格，模板变形，基础不均匀沉降等。混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝上的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。
当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。通过讲解详解了我们的一些疑问。同时老师也向我们指出了此建筑外部设计不合理的地方如：设备平台过窄，阳台错落的设计容易造成污水下渗等，提醒我们以后做设计注意的地方。
进入房屋内部参观了内部房屋的功能分区，随同人员，并告诉了我们在建筑设计时的误区及易错点，让我们知道以后建筑设计时要注意对卫生间电梯间及楼梯的处理。在那里，首先我们现场观看施工工人对于地基的开挖过程，知道影响地基的深度的原因，及我们贵州地区打地基时所要涉及和注意的一些问题。然后参观了那里的二期工程，该工程采用的是框架———剪力结构，它是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合，吸取了各自的长处，既能为建筑平面布置提供较大的使用空间，又具有良好的抗侧力性能。这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同样又有足够的剪力墙，有相当大的刚度，框剪结构的受力特点，是由框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的新的受力形式，所以它的框架不同于纯框架结构中的框架，剪力墙在框剪结构中也不同于剪力墙结构中的剪力墙。在此工程中我们详细的了解了梁和柱的构造方法和建造框架结构中所要注意的问题。
施工人员向我们讲解了梁、柱不同的构造方法、钢筋的绑扎和断筋的连接等，比如说，钢筋的绑扎，底层基础钢筋的绑扎首先要放样，每一跨度里钢筋的接头数只有25%，即4根钢筋里只有一个接头，另外，接头要尽量放在受压区内。
在砌墙的过程中，如遇到墙要转角或相交的时候，两墙要一起砌起来，在留槎的过程中，可以留斜槎，如果要留直槎，则必须留阳槎，且要有拉结筋，不能留阴槎。这些知识往往是我在学校很少接触，很少注意到的，但又是很重要、很基础的知识。让我们受益匪浅。在外面实习了个过月的实间，这些日子里通过亲身经历，使在学校所学的理论知识得到了很好的实践。而且对于实际的设计工作也提供了很大的帮助，为毕业设计提供了现实资料。从而避免了在设计过程中出现设计与实际施工相脱节的现象
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