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方钢 管束 混凝 土异 形组合截 面住宅结构体 系的研 究

时间:2020-09-27    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大


方钢 管束 混凝 土异 形组合截 面住宅结构体 系的研 究
陶红林
(江 苏建筑 职业 技术 学 院 学 报编 辑部 ,江 苏 徐 州 221116)
摘 要 :居住 建 筑量 大面 广 ,与人 们 生 活密切 相 关.在 住 宅 建 筑 中 ,采 用 方钢 管 柬 混凝 土 异 形 组合
截 面住 宅结 构体 系,对 住 宅建 筑工 业化 建 设 具 有 十 分 重要 的 意 义.为 了探 索 方钢 管 束 混 凝 土 异 形
组合 截 面住 宅结 构体 系在住 宅建筑 中的 应 用 ,比较 了方钢 管 混凝 土 住 宅 结 构 体 系的优 势 ,分 析 了
方钢 管 混凝 土结 构 受力特 点和抗 震 性 能 ,提 出 了方钢 管束 混 凝 土异 形 组 合 截 面住 宅 结 构体 系,并
对 此类 组合截 面类型 、计 算方 法及 构 造要 求进 行 了阐述.
关键 词 :住 宅结 构体 系;方钢 管束 混凝 土 ;异形 组合 截 面 ;受力特 点 ;抗震 性 能
中图分 类号 :TU 398
文 献标 志码 :A
文 章编 号 :2095—3550(2017)02—0034—04
Study on residencestructuresystem with square
concretefilled steeltubespecial·。shaped compound section
TAO H onglin
(Journal EditorialDepartm ent, Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology,
Xuzhou,Jiangsu 221116,China )
Abstract: Residentialbuilding hasalarge quantity and coverage,which isclosely related topeo—
ple’ Slife. Ithasim portantsignificanceforindustrialized construction ofresidentialbuilding to
useresidence structure system with square concrete filled steeltube special—shaped compound
section.Inorderto exploretheapplication ofthesystem ,thispapercom parestheadvantagesof
residence structure system with square concrete filled steeltube, analyzes the loading features
and anti—seism icproperty of square concrete filled steeltube structure, puts forward residence
structuresystem with squareconcretefilledsteeltubespecial—shaped compound section,and ex—
poundsthetypes,computing method and structuralrequirements.
Keywords: residence structure system ; square concrete filled steeltube; special—shaped co
r
n
pound section;loading features;anti—seismicproperty
我 国属 地 震 高发 地 区 ,一 旦 发 生 大 的 地 震 ,损
收 稿 日期 :
基 金 项 目 :
作 者 简 介
E — nmil
20l7— 05 — 03
2016年住建部科学技术 项 目:装 配嵌入式 钢管混凝 土
住宅体系研究 与应用 (2016一K6—001)
陶红林 ,男 ,浙江 宁波人 ,教授 ,国家一 级注册 结 构
工程师 ,国家一级 注册建造 师 ,研究 方 向为钢结 构 居
住 建筑 体系
228229605@qq.cor
n
失 巨大,对人们 的生命财产产生很大影 响.如 1976
年 的唐 山 大 地 震 ,顷 刻 间 将 一 座 中 等 城 市 变 为 废
墟 ,死 亡人 数 以十 万 计 .严 重 震 害 不 断警 醒 人 们 建
筑 物抗 震 的 重要 性 ,对 抗 震 的 研 究 也 从 未 间 断 ,并
取 得 了大量 的研 究 成 果.同 时 ,对 于 不 同结 构 材 料
和 结构 形式 ,采 取 不 同 的抗 震 措 施.如 对 钢 筋 混 凝
土框架结构 ,提 出了“强柱弱梁 ,强剪弱弯 ,节点更第 2期
陶红林 :方钢 管束 混凝 土异 形组 合截 面住 宅 结构体 系的研 究
35
强”的抗 震 措 施 .但 是 ,在 实 际工 程 中 ,很 难 做 到 上
述抗震措施.四川汶川地震 的震 害现象,印证 了上
述抗震措施较难实现.而钢结构建筑在大震 中的震
害相 对较 轻 .因此 ,要 解 决 建 筑抗 震 问题 ,必 须从 改
变结 构 材料 人 手 ,而 钢 材 作 为 建 筑 结 构 材 料 ,无 疑
是解 决建 筑物 抗 震 的根 本 ,已经 得 到世 界 各 国的证
明 ,也在 我 国抗震 实 践 中得到 证实 .
1923年 ,El本 关 西 大 地 震 后 ,发 现 钢 管 混凝 土
结 构 体 系在地 震 中的破 坏 并不 明显 .在 以后 的建 筑
中 ,人们 大量 使 用 钢 管 混 凝 土 作 为 建 筑 结 构 构 件 .
1995年的 日本阪神大地震 ,钢管混凝土结构显示 出
优越 的抗震性能 ,钢管混凝土结构 的研 究,成为 当
前热点研究 课题 之一[1].在 钢管 混凝 土结构 体 系
中,尤其是方钢管混凝土结构体系适应 于居住建筑
中.本文针对居住建 筑的功能要求 ,探讨方钢管束
混凝土异形组合截面住宅结构体系.
1 方 钢 管混 凝 土 住 宅 结 构 体 系与 其
他结构体 系的 比较
方钢 管混 凝 土结 构 与其 它结 构 体 系相 比 ,具 有
结构连接节点简单 、构件加工方便、房间内角平直 、
建 筑 物施 工周 期短 及 便 于 建筑 工 业 化 生产 等 特 点 .
尤 其 在居 住建 筑 中具有 明显 的应 用 优势 .
1.1 方钢 管 混凝 土结 构 与钢筋 混 凝土 结构 的 比较
方钢管混凝土结构承载力高 ,在 同等截面下其
承 载力 远 高 于 钢 筋 混 凝 土 结 构 L2。。].方 钢 管 混 凝 土
结构 自重轻,在 同等承 载力 条件下 ,方钢管混凝土
结 构 自重 约减 轻 5O 左 右.方 钢管 混凝 土 结 构抗 震
性能优越 ,在同等条件下 ,方钢 管混凝 土吸收地震
能量强 ,结构刚度退化小 ,结构延性好.方钢管混凝
土 结构 施工 方 便 ,钢 管 作 为 浇 筑 管 内混 凝 土 模 板 ,
省 去 了支 模 工 序 及 施 工 费 用 ,加 快 了工 程 施 工 进
度 .钢管 内混 凝 土 可 以作 为 管 壁 支 撑 ,延 迟 钢 管 壁
发 生局 部屈 曲.同时 ,钢 管 混 凝 土 的两 种 材 料 的 相
互保护 ,提高了结构构件 的防火和防腐能力 ,减少
了相应 的措 施 费用 ,提 高 了工程 的经 济效 益.
1.2 方钢 管混 凝 土结构 与 纯钢 结构 相 比较
方 钢管 混凝 土结 构 与纯 钢 结 构相 比 ,在 保 持 结
构 自重 相近 和 承载力 相 同 的情 况下 ,可节 约 钢 材 近
50%[1].在确 保双 向受 弯满 足承 载力要 求 的情 况
下 ,构件截面双 向受力更加合 理.方钢管混凝 土结
构耐火性能优于纯钢结构 ,因为钢管 内混凝土在火
灾时吸收更 多 的热 量 ,延长 了结构 构件 的耐火 时
间.又因为钢 管 内混凝土 阻止 钢材的腐蚀 ,其 耐腐
蚀性好于纯钢结 构.方钢管混 凝土结构刚性好 、振
幅小 ,结 构动力 性好 .
1.3 方钢管混凝土结构 与圆钢管混凝土结构相比较
方钢管混凝 土构件截面与 圆钢管混凝 土截 面
相 比 ,方钢 管混 凝 土结 构 构件 n“ 在连 接 节 点处 ,连
接相贯线在同一平面上.因此 ,节点构造简单 ,节点
制作 方便 .在 结 构 的稳 定 性 方 面 ,方 钢 管 混 凝 土 截
面惯 性矩 优 于 圆 钢 管 混 凝 土 截 面.因此 ,结 构稳 定
性要好于圆钢 管截面.另外 ,方钢管混凝 土构件 表
面平整,便于与墙体进行连接,且房间内墙角平整 ,
易于 装饰 处理 .室 内平 整 美 观 ,符 合 人 们 对 居 住 建
筑 的审美要 求 .
2 方钢管混凝土结构 的优势分析
圆钢 管混 凝 土结 构 利 用 钢 管 和 管 内混 凝 土 两
种材料在受压过程中相互作用,钢管在 4周约束 混
凝 土 ,管 内混 凝 土 处 于 3向受 压 复 杂 应 力 状 态 ,使
得 管 内混凝 土 强度 大 幅度 提 高 ,混凝 土 的塑 性 变形
能力 大为 改善 .同时 ,钢 管 内混 凝 土 作 为 钢 管 壁 的
支撑 ,延缓 钢管 壁发 生局 部屈 曲E5-1o].圆钢 管混凝 土
结构能使钢材和混凝 土两种材料 的力学性能得 到
充分发挥.与圆钢管混凝土结构 相 比,方钢管 中的
混凝土只是在沿截面对角线方向受压较大,截面边
中处混 凝 土受 到钢管 约 束 较 小 ,甚 至 出现 与 钢管 的
脱开情况.因此 ,方钢管 中混凝 土的约束作用不如
圆钢 管 中的混凝 土 明显 ,在 构 件 受压 承载 力 方 面稍
差.但是,方钢管束混凝土结构仍有如下的优点 :
1)方钢 管混 凝土 结 构 梁 柱节 点 形 式 简单 ,易 于
加工制作.
2)方钢 管 混 凝 土 构 件 截 面 的 惯 性 矩 大 于 圆钢
管截面 ,因此其结构稳定性也更好[1.
3)方钢管混凝土构件 与墙 体构件的衔接要 比
圆钢管混凝土构件好.方钢管混凝土构件与墙体 的
衔接 ,构 造 简单 ,施 工 方 便 ,且 墙 角 内 角平 整 ,不 露
柱 ,房间内部美观,符合人们的审美要求.
4)方 钢 管 混 凝 土 构 件 的荷 载—— 位 移 滞 回 曲
线 比圆钢管混凝土构件还要饱 满.因此 ,方钢管束
混凝 土结 构具 有更 为 优 秀 的结 构抗 震性 能 ,没 有 明
显 的结 构刚度 退 化现象 .
5)方钢管 混凝土结构 的抗震性 能明显优 于纯
钢结 构.
3 方钢 管 束 混 凝 土 异 形 组 合截 面住
宅结构体 系的研 究
随着 人们 生活 水平 的提 高 ,对 住 居建 筑 提 出更
高的要求 ,居室的使用面积和美观性越来越受到人江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报
第 17卷
们的重视.与其它结构 截面相 比,方钢 管束混 凝土
构件 截 面受力 合理 ,耐 火 性 、塑 性 和延 性 好 ,抗 震 性
能优 越 ,构件 截面 规则 ,建 筑 适 应 性较 好 ,应 用 于 住
居建筑中,符合人们传统的审美习惯口 .
3.1 方 钢管 束混 凝土 异形 组合截 面
方钢 管束 混 凝 土 异 形 组 合 截 面 是 由一 个 方 钢
管和 若干 个 u 型钢 组合 而成 ,在 钢管 内腔 浇筑 高标
号 自密实 素混凝 土 ,形 成钢 管 束 混凝 土 异 形 组 合构
件 ,作为 主要 的承 重和 抗 侧力 构 件 ,如 图 1所示 .其
基本单元是由核心方钢管和 U 型钢组合而成 ,形成
基本单 元类 型.基 本 单 元 类 型 分 为 外 墙 转 角 单 元 、
内外墙单 元和 内墙单元 ,并根 据结 构抗侧 刚度 需
要 ,增 加 U 型 钢数 量 ,向外延 展 ,满足结 构 承载 和抗
侧 要求 ,如 图 2所示 .
(a)方钢管
(b)U型钢
图 1 方钢管束混凝土异形组合截面基本 单元
Fig.1 Elementary unitofsquareconcretefilled steel
tube specia卜shaped com pound section
(a)外墙异形柱
l
f
I
(b)内外墙异形柱
(C)内墙异形柱
图 2 方钢管束混凝土组合截面基本单元 类型
Fig.2 Elementaryunittypesofsquareconcretefilled
steeltube com pound section
上 述基 本 单 元 类 型 与梁 单 元 构 成 房 屋 结 构 的
主要承 重 和抗侧 结构 ,承受 建 筑 物 的全 部 竖 向荷 载
和水平荷载.方钢管束边长 M 为 120mm、150mm、
180mm,钢管 壁厚 为 4mm、5mm、6mm.方钢 管束
的边 长和壁 厚应 根 据住 宅 建 筑 的层 数 进 行选 择 .一
般 情 况下 ,当层 数较 少 时 ,选 择 较小 的边 长 和壁 厚 ,
反 之则 选 择 较 大 的 边 长 和 壁 厚 .当建 筑 物 层 数 较
多 ,抗侧 要 求较 高 时 ,增加 U 型钢 组合数 ,以满 足建
筑 结构 抗侧 要求 ,见 表 1.
表 1 方钢 管束混凝土异形截面构件基本单元选择
Tab.1 Elementaryunitselectionofsquareconcretefdled
steeltubespecial-shapedcompoundsectioncomponents
3.2 方 钢 管束 混凝 土组 合异 形截 面计 算
根 据 《矩 形 钢 管 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 》
(CECS159:2004)结 合方 钢 管 束 混凝 土 异 形 截 面 特
征 ,进行 构件 的承 载力 和稳 定 计算 .
3.2.1 轴 心 受 压计 算 1)轴 压 构 件 承 载 力 .轴 压
构件 承 载力 按下 式计 算 :
N≤专N,
(1)
N
k
N
;y
,无
)
y
0
(y
),
,y
)
(Y
R
E
,取
), 一0.8);N 为构 件轴 压极 限 承载力 设计 值 ,kN.
N =fA + fcA ,
(2)
式中:厂为钢材抗压强度设计值 ,MPa;A 为钢管壁
截 面积 ,mm .f 为 混凝 土抗 压 强度 设 计 值 ,MPa;
A 为 钢管 内混凝 土 截面 积 ,m1TI.
2)轴 压 构件稳 定 性.轴 压 构 件稳 定 性 按 下 式计
算 :
1
N≤专
』\,.
(3)
式 中 :y为 系数 ,同式 (1); 为 轴压 构 件 稳 定 系 数 ,
当 。≤ 0.215时 ,取 一1— 0.65A ,当 。> 0.215
1
时 , 取
===
[(0.965 + 0.300A。 + ) 一
~/(O.965+ 0.300A。+ 5— 4A:);。为相对 长 细 比 ,
。 一
√ ,f为钢材强度设计值,MPa,Es为钢
材弹性模量 ,MPa;N 为构件轴压极限承载力设计
值 ,kN.
3.2.2 压弯构件计 算 1)压弯构件承 载力计 算.
弯矩 作用 于 一 个 主 平 面 时 的方 钢 管 束 混 凝 土 压 弯
构件 承载 力应 满足 下式 要求 :
+(1~ )
≤ f
同时 满足
lVlun
≤1),
式中:N为轴心压力设计值 ,kN;M为弯矩设计值 ,
kN ·m;N 为轴压构 件净截面 积承载力设计 值 ,
kN;M 为只有弯矩作用时净截面积受弯承载力设
计值 ,kN·m 为混凝土工作承担系数.
2)压弯 构件 稳定计 算 .方 钢管 束混 凝 土压 弯构
件弯矩作用平面内稳定满足下式要求 :
≤专,
]第 2期
陶红林 :方钢 管柬 混凝 土异 形组 合截 面住 宅结 构体 系的研 究
37
并应 满 足下 列要 求 :
(
1-
0
8)M≤1y
(6)
同时 ,弯矩 作用的平 面外稳定还应满足下式要求 :
N+。1.4M
l
≤专y,
式中:仇, 分别为弯矩作用 平面内外轴压稳定系
数;N &为欧拉临界力 ,kN;
为只有弯矩作用时截
面的受弯承载力设计值 ,kN·m;p为等效弯矩系数.
3.3 方 钢 管束 混凝 土异 形截 面构 造要 求
方钢 管束 混 凝 土 异 形 截 面 的边 长 一 般 不 宜 小
于 100mm,管 壁厚 度 不 宜 小 于 4mm.柱 长一 般 以
3~4层 为 一 个 安 装 单 元 ,柱 的 接 头 设 在 楼 板 面 上
800mm~l500mm 处 ,且 接 头处 应相互 错 开.除此
以外 ,方 钢管束 混 凝土 异 形 柱 还应 满 足 如 下 的构 造
要 求 :
1)钢 管壁 局部 稳 定.钢 管 壁 的局 部 稳 定 根据 管
壁宽厚比进行验算,管壁板件宽厚比 导 ≤ 60
~ f ’
2)对构 件轴 压 比与延 性 只 是 一般 要 求 时 ,管 壁
手≤602厂35;对构件轴压比与延性有较高要求
时,管壁手≤40√ .
3)方钢管束混 凝 土异形 柱 的长 细 比满足 一
≤ 65.
4)钢管截 面 与混 凝 土 截 面应 配 置 合 理 ,管 内混
凝 土 工 作 承 担 系 数 a 一
SF
cA
c 应 控制
0.1~0.7之 间.
5)为 了保证管柱具有足够 的延性 ,管 内混凝土
工作承担系数 a应满足 a。≤ [a].其 中,[a。]为混
凝 土工 作 承担 系数 限值 ,见 表 2.
表 2 混 凝 土 T作 承 担 系数 限值
4 结论
,住
业 化
.钢
化 建 设 中发 挥 重 要 作 用 .而 在 钢 结 构 住 宅 中尤 其
类结
外 ,在结构 的受 力 和抗 震 性能 方 面 ,具有 其他 建
筑 结 构 无 法 比拟 的 优 越 性 ,成 为 未 来 住 宅 工业 化
发 展 方 向。
参考 文献 :
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节点非线性有 限元 分析 [J].呼 和浩特 :内蒙 古工业 大
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安科技大学学报 ,2012,32(I):76—80.
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应 分析[D].广州 :华南理工大学 ,2016.
[12] 陶红林 ,戚 豹 ,康 文梅.小 高层 钢框 架结 构 住宅 的用
钢量分析[J].施工技术 ,2009,38(10):37—38,53.
(编 辑 :司元 雷)

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