上海市宽肢异形柱结构体系研究和工程实践简介.doc

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1015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钢筋混凝土结构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、L、十、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度。提出了组合墙的设计方法。2).组合墙具有有效的耗能机制和有良好的抗震性能。结构在弹塑性阶段，水平构造梁抑制了裂缝的开展和贯通，形成了很好的减震机制。图4四层框架结构滞回曲线3.3宽肢异形柱平面框架1).结构呈梁铰破坏机制 对宽肢异形柱框架结构进行试验研究，揭示了由延性不对称构件组成的宽肢异形柱框架具有对称延性的特点（见图4），揭示了这种结构试验中弹塑性状态呈梁铰机制的内在原因和破坏机理。2).宽肢异形柱框架结构的梁柱节点可靠试件中的梁柱节点未作特殊处理，所有节点基本完整无损，节点不破坏与异形柱的基本尺寸有关。3).宽肢异形柱框架-组合墙房屋结构 首次国内最大也是宽肢异形柱结构体系唯一的拟动力三维房屋试验，揭示了它的侧移刚度、破坏形态内在原因、结构延性、破坏机理，全面考察了它的抗震性能，证实了小高层住宅宽肢异形柱结构体系的可靠性，为小高层住宅设计提供了有力的依据。4.设计研究结论4.1抉择梁铰机制抗震对策根据结构试验中揭示的结构破坏机理和住宅建筑中可行性特点，抉择以延性框架的梁铰机制作为小高层住宅抗震设防对策，来弥补构件不对称截面的先天性缺陷。对策的合理性还体现在如下：1)弥补了薄壁不对称截面构件延性严重不对称的缺陷（以T型为典型），主要是腹板受压破坏的脆性性能。除墙根外，主要依靠梁铰来耗能达到结构延性的方法比现行规范方法合理。2)妥善解决轴压比和短柱之间在设计中的矛盾和困惑。3)可以避免墙肢截面长宽比（h/b）在38范围内，其受力、变形特性及屈服机制可能存在的较大差异问题。4) 挑选水平构件（梁）作为主要耗能构件，用梁可接受的损伤来达到保护竖向构件的目的，这对结构延性和震后修复是有利的。 5) 梁铰机构的墙根塑性铰转角远小于柱塑性铰机构的塑性铰转角，混合铰机制的塑性铰转角介于二者之间。因此从理论上讲，梁铰机制的弹塑性变形角（p）要求比混合铰机制的p要求可放松一些。这对于薄壁柱型墙延性构造处理上是有利的。6)这种设计方法使设计人能“告诉结构干什么”，并使结构对地震特性的敏感消失，因为毕竟这些特性是未知的.目前国内试验研究的导向脱离结构的大量单构件试验研究，得出了较严控制轴压比的结论，而不再把构件放回到结构中进行验证是否正确。只有少数学者从梁铰机制着手研究。钢筋砼结构的性能不仅取决于单构件的性能，更重要取决于各构件之间的组合关系。构件形成塑性较和整个结构进入弹塑性再到塑性状态是完全不同的。静力弹塑性分析给我们提供了一个近似的结构破坏过程的描述。4.2用双控方法实现梁铰机制这里“双控”是指柱梁强度和刚度均要控制在一定的级差范围内。一般概念认为柱、梁在强度上形成一定的级差，梁铰机制就能实现。台湾集集地震的震害和试验研究表明，没有一定的刚度级差，单纯的强度级差不易保证梁铰机制的实现。只有保证柱、梁两者刚度级差，才能通过保证强度级差实现梁铰机制。宽肢异形柱强度级差控制在适度范围，主要考虑按现行规范设计(混合铰破坏机制)而试验得出的却是梁铰机制的事实；柱梁刚度级差的控制有利于对柱、梁节点的设计和保护，特别是薄壁构件，其节点区混凝土无法得到有效约束的条件下。4.3设定实用范围，过渡墙柱间不同受力特点理论上墙、柱是没有明确的分界。设定实用范围来过渡和协调墙柱在强度、刚度计算和构造上突变的矛盾，具有工程逻辑上优势，设定实用范围的定量确定，通常是追求学术上的方便和设计的使用，而不是墙柱概念本身。这里把宽肢异形柱的长宽比定义为38，是为了适应小高层住宅设计中建筑造型和户型变化的需要以及协调其它工种要求和结构自身刚度的调整要求。参考国内外的规范：日本的“中高层壁式框架RC结构设计与指南解说”称截面长宽比28的混凝土构件为“墙柱”，用它来过渡墙柱之间不同的受力特性，并采用梁铰机制设计方法来适应这个过渡段自身的受力特性。美国ACI、UBC规范规定，框架柱应满足“截面最小尺寸和与之垂直的尺寸比不小于0.4”，即定义长宽比2.5为柱的范畴。我国新的抗震规范中，6.36条规定“柱截面尺寸截面边长与短边之比不宜大于3”以及6.49条规定“抗震墙的墙肢长度不大于墙厚的3倍时，应按柱的要求进行设计”，只有欧洲规范8定义截面长宽比小于4按柱计算。有些学者担心长宽比3-8的宽肢异形柱会出现短柱的问题。众所周知，短柱的剪切破坏主要影响因素是剪跨比，剪跨比的实质是构件剪应力与弯曲应力的比值，而不是静态的层净高与柱截面高度之比这一几何概念。通过研究我们发现：水平构件弹性屈服后，竖向构件剪跨比是个动态的力学概念，当水平构件屈服产生塑性铰后，竖向构件反弯点会迅速向上延伸，此时由于整体结构刚度的衰减导致水平地震力的降低，竖向构件剪应力波动不大或有所降低，而弯曲应力却因反弯点的增大迅速增大，弯曲应力的增长速度远高于剪应力的增长，在整体结构破坏试验中竖向构件反映出较多水平裂缝，不是固定剪跨比的单构件试验中出现集中斜向裂缝的剪切破坏。4.4用静力弹塑性分析评价结构的抗震性能静力弹塑性分析(push-over)进行结构破坏机制的判别、结构延性和刚度的检验、柱轴压比控制松严和必要的判别，设计改进和细部构造的研究是很有意义的。GB50011-2001建筑抗震设计规范推荐这种方法。我们采用国际上著名的商用软件SAP2000(ver7.4)对本课题的试点工程进行push-over计算，根据计算结果，对结构屈服全过程作了比较详细的分析，包括结构屈服机制、出铰顺序、防倒塌要求(弹塑性变形角的控制)、柱轴压比的控制、结构失效倒塌中关键问题(框架梁的耗能能力)分析和结构延性性能较详尽的分析和研讨。有关内容不久将在建筑结构上另文介绍。 5.工程设计与实践课题组选择了位于松江新城的东明花园中8、9号楼，分别进行宽肢异形柱框架结构和组合墙结构的试点工程设计研究。国内首次以主动双控实现梁铰机制为设计指导思想，建成了两栋小高层住宅建筑。5.1梁铰机制的主要设计步骤和内容表1 梁铰机制的主要设计步骤步骤主要内容 公式参数参数说明考虑因素1控制墙、梁刚度比icibic ,ib分别为同一节点处柱和梁所计算出线刚度之和。计算ic和ib时分别采用层高和梁净跨。为墙梁刚度比，建议大于3.0墙、梁线刚度如果存在一定级差，可以控制梁先开裂，且较容易保证整体结构的破坏形态2控制墙、梁承载能力比（简称强度比）Mcu1.25MbuMcu /McMbu/MbMcu(Mc), Mbu(Mb)分别为同一节点处柱端和梁端实配(计算)钢筋所计算的极限受弯承载力之和。保证节点处梁的屈服先于竖向构件的屈服，让水平构件的耗能3控制梁跨高比强剪弱弯系数bLb/hb4b1.25Lb：梁净跨 hb：梁高电梯井连梁Lb/hb4时进行刚度折减保证梁发生弯曲破坏（延性破坏）而避免剪切破坏（脆性破坏）4底层柱内力增大1)弯距增大系数cm2)剪力增大系数cvcm1.25cv1.4cv是在考虑弯距增大系数后实配纵筋基础上再实配抗剪箍筋为了保证梁铰充分发挥作用，必须延迟底层墙柱根部的屈服时间。因此必须提高底层墙柱的承载能力5控制梁铰出现次序理想出铰次序是先底部，然后中上部6构造要求梁墙节点、暗柱配筋等等5.2延性构造要求图5 建议框架梁梁端构造要求1).框架梁端箍筋构造为保证框架梁端部的有效宽度不削弱，梁箍筋的宽度不减少，抗剪能力得到保证，同时保证梁转角延性，为按梁铰机制的设计的结构提供更大的结构延性。2).宽肢异形柱腹板水平钢筋锚固宽肢异形柱腹板的水平钢筋在两端应锚固于暗柱核心区之内，以避免大震时保护层脱落后，水平钢筋即在两端失去锚固，柱肢两端暗柱也失去可靠的连接而变成两个独立柱。3).墙体根部的延性设计对加强区部位宽肢异形柱均采用暗柱配筋。暗柱箍筋的弯钩不宜设置在柱的端部而应设置在内侧，因为在端部混凝土剥落后弯钩容易脱开，起不到对混凝土的约束效果。为了避免柱根部过早破坏，推迟柱铰的出现,以显著提高底层的承载力来适当减缓对底层竖向构件的延性要求,同时可使结构把数量众多的梁的潜在的延性都能发挥出来，从而提高结构的整体延性。5.3框架-组合墙结构设计步骤和主要内容1).总体结构的合理布置根据结构均匀、对称的原则，初步确定组合墙体的位置。组合墙宜设置在分户或固定隔墙处。2).选择合适的计算软件，正确选用合理的计算参数进行整体结构分析，一般采用三维墙元（或壳元）模型计算软件较为合适。3).组合墙墙身承载力的复核验算组合墙墙身验算内容分为钢筋混凝土宽肢异形柱部分和砌体部分。前者包括宽肢异形柱肢的偏心受拉和偏心受压计算，后者验算内容有：组合墙砌体边缘应力验算，砌体轴心受压验算和抗剪验算三部分内容。4).有关构造要求的实现图6组合墙构造详图组合墙的构造要求保证共同工作以及结构延性的前提条件。a).施工宽肢异形柱组合砌体时，先施工砌体，留出马牙槎，然后浇注框架柱，以砌体为底模浇注框架梁。b).砌体组合构件的砌体采用混凝土小型空心砌块或混凝土多孔砖。混凝土小型空心砌块或混凝土多孔砖的强度等级不低于MU10，砂浆强度等级不低于M5. c).砌体每隔约0.81m有一条横向钢筋混凝土构造梁，具体作法是；每隔约0.81m砌一皮U型砌块，U型砌块中放4F8钢筋，浇注细石混凝土。5.2.4.4组合结构中的框架梁截面高度可按（1/101/18）Lb确定，且不得小于300mm，Lb为组合结构中宽肢异形柱翼缘中心线之间的