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      鋼結構異型柱框架的應用和發展
      發布時間:2014-07-15
      摘要:本文主要介紹異型鋼結構框架的在高層建筑體系的應用,分析了該體系在鋼結構能夠利用的原因,對異型鋼結構柱的優點進行了分析,并對各種異型柱的應用特點,進行了簡單的分析和比較。
      關鍵詞:鋼結構 異型框架柱 高層住宅

         結構設計的基本任務是在結構的可靠度和經濟之間選擇一種合理的平衡,力求以最低的代價,使建造的結構在規定的條件和使用期內,能夠滿足預定的安全性,適用性和耐久性等功能要求,這就要求設計人員在安全和經濟綜合考慮,合理的結構體系之關重要,目前的主要的是混凝土結構和鋼結構,由于混凝土結構很多缺點,和科技的進步和環保意識的提高,鋼結構得到了很大的發展。
        鋼結構作為建筑體系的優勢在于,鋼結構有利于工業化和產業化的生產,鋼結構是綠色建筑,節能建筑,鋼結構提高了空間的利用率,鋼結構建筑的重量輕,體量小,而且本身有良好的延性,因此鋼結構的抗震性能非常好,鋼結構的施工周期短,提高了資金投資的效益和施工現場文明。
        所謂異型柱框架體系是指全部或部分采用L字型,+字型,Z字型及一字型等非矩形截面柱與矩形或T型截面組成的梁柱結構體系。

      1 異型框架的結構應用

      1.1 異型柱的框架主要優點

         1)柱的平面布置很靈活,異型柱結構的圍護墻都是非承重的輕質隔墻,受建筑的限制較少,可以滿足業主對大開間建筑的需求。
         2)異型柱框架與矩形框架相比,抗震性能有明顯的提高,質量減輕是其抗震提高的主要原因,此外,抗側剛度對抗震性能的提高也有一定的影響。
         3)鋼結構異型柱框架避免了混凝土的陰角和陽角部位存在應力集中現象和地震時的破壞嚴重。

      1.2 異型柱的框架的結構布置

        隨著生活水平的提高,人們對住房的要求越來越高,由于異型柱框架具有室內無柱楞,不妨礙家具的擺設,可增加使用面積4%—8%,可選擇填充墻的墻體材料等優點。

      1.3 異型柱的構造措施

        異型柱框架的構造應滿足現行國家結構設計,施工規范的基本要求?紤]到異型柱的特點,應采取下面的構造措施,在結構體系上,應從嚴把握概念設計的原則要求,力求結構平面規整,結構剛度均勻,構件傳力直接,明確,最好不做錯層結構,柱的軸壓比應滿足一定的要求,并應當適當修改。
        異型柱框架的構造,T型柱的可以采用一個工字鋼和T型鋼焊接成,根據具體的墻體的厚度,采用適當的填充材料,使柱體和墻體形成有機的整體,在美觀的同時不會出現應力的集中的現象。,

      2 異形柱的計算方法

      2.1 剛度等效原則

        對于多高曾框架來說,對結構內力分析影響最大的是柱子的形心主軸慣性矩,而截面面積和抗扭矩影響很小,因此只要保證異形柱形心主軸慣性矩正確進入電算程序中局部坐標系下的單元剛度矩陣,就能較準確的計算出異形柱框架的內力和變形,為了使現有的高層鋼結構分析軟件在計算異形柱框架能夠反應這一要求,應該按照等效剛度的原則。

      2.2 采用中國建科院剛結構軟件STS和SATWE-8程序直接對異形柱進行計算。

      3 各種異形柱的比較

       由于應用的結構具體的位置不同,各種異形柱的所受外力有很大的區別,各異形柱的承受的極限形式又不相同,對于比較各異形柱的經濟性相對比較困難,在實際應用中只有根據工程的特點來具體選擇,本文只簡單比較各異形柱的力學性能,應離集中部位對不同作用方向的不同柱有很大的不同,L形的柱截面的絕對最大剪應力的位置稍微偏離截面突變處,對于T形柱截面,當外力作用在對稱方向時,最大剪應力的位置稍微偏離截面突變處,而外力作用在非對稱方向時,最大的剪應力仍在截面突變處,+字柱面的最大剪應力總在截面突變處。

      4 異形柱設計的存在問題

        異形鋼柱是在一般是在工字形截面上增加一個T形截面,相應增加了弱軸方向的截面特性,特別是將鋼梁與鋼柱弱軸的剛性連接節點轉化為與柱翼緣連接,優于常見設計中工字鋼柱在弱軸方向設外伸連接板的剛性連接,加強了工字鋼柱的弱軸穩定,對結構安全有有利影響,但是在異形柱在結構分析中還存在問題,要解決的問題有:1)弱軸上增加T型構件后,截面特性的確定,2)異型鋼柱局部穩定性計算,3)梁柱節點與鋼柱形心軸偏離時整體受力分析(普通桿系計算軟件你能解決),理想的計算模型應該采用有限元整體建模進行內力分析,可以解決上述的問題,但是建模的工作量太大。
        異形柱的設計中面臨的另一問題,就是異形柱框架在地震作用下破壞嚴重,異形柱框架在設計中存在很多的問題:1)異形柱框架結構不對稱時,扭轉對其受力的影響2)異形柱框架結構在地震作用下的彈塑性分析3)異形柱框架結構在截面設計方面的軟件的開發。異形柱在地震的破壞的主要原因可歸納為:1)異形柱框架結構的設計方法不完善,2)異形截面柱的強度有別別于普通的規則柱,3)異形截面柱的破壞形態不同于規則的鋼結構柱。

      5.異形柱框架的發展

        我國自1949年后,鋼結構就在大跨重型工業廠房,大型公共建筑和高聳結構中就得到了應用,尤其在近20年來,鋼結構更加應用于土木工程中,隨著我國科研和設計人員的不斷探索和研究,出現了新的結構類型,異形框架柱就是其中的一種。在科技的進步和人民生活水平的提高,鋼結構被應用于高層住宅中,得到了較好的效果。由于鋼結構本身的一些特點,將會越來越多的運用到高層住宅中去,由于住宅的特殊要求和審美觀念的要求,我們相信異形框架柱將在高層鋼結構住宅中擔當重要的結構體系,異形柱也將的到更高的認識和研究。為了更好的應用該結構體系,我們認為應該做到以下幾點:1)通過回訪,及時總結已建成的運用該結構體系的住宅經驗2)加快相關技術標準,規范,規程的制定和修改,使與鋼結構異形柱有關的所有部門和人員工作起來有據可依,3)重視有關鋼結構住宅的技術人員的教育和培訓,提高專業隊伍的素質。

      6.結束語

        鋼結構住宅是今后發展的一個方向,隨著科技的進步,審美觀念改變必然使的鋼結構住宅建筑不斷的去擴展自身的表達語匯而尋求發展。我們提倡的是拋棄風格,從結構的理性主義出發,從現代和傳統的建筑結構中吸取精華,創造出技術和藝術有機融合的鋼結構住宅的精品建筑。我們要分清楚,鋼結構異形柱框架是建筑中承重體系和服務部分,它不是建筑使用中的主要部分,鋼結構住宅的設計首先要遵循住宅建筑設計的一般原則,然后才是發揮鋼結構的優勢。

      參考文獻

      1.陳志勇.異型柱框架結構在高層建筑中的應用和計算.廣東水利水電 .2004.10
      2.夏志斌.鋼結構設計原理.北京:中國建筑工業出版社.1994
      3.陳云霞,劉超等T型,L型截面承載力試驗及設計方法研究。建筑結構學報22(5),2001:37-4 4.曹萬林,劉玉彬等異型柱框架模型抗震性能試驗研究《工程力學》增刊1997,308-312

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