建筑工程中超長型鋼混凝土斜柱設(shè)計(jì)

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在現(xiàn)在的城市建筑中，原來的低層建筑已經(jīng)無法看到，取而代之的是高樓大廈。在這些高層建筑中必不可少的就是建筑中的轉(zhuǎn)換方式，斜柱在眾多的轉(zhuǎn)換方式中因?yàn)榭拐鹦暂^強(qiáng)、而且比較省原材料、剛度變化又比較小受到越來越多的使用，成為現(xiàn)在主要的高層建筑轉(zhuǎn)換方式。但是，斜柱這種轉(zhuǎn)換方式除了具有這些優(yōu)點(diǎn)以外，我們還應(yīng)該清楚的看到其具有的一些缺點(diǎn)，即使用范圍比較嚴(yán)格，斜柱這種轉(zhuǎn)換方式只能在一定程度的夾角時才能使用，一旦夾角過大就不能再使用這種轉(zhuǎn)換技術(shù)。

1工程概況

本文在進(jìn)行高層建筑中斜柱轉(zhuǎn)換方式研究時采用的是實(shí)例研究的方式，在研究中的例子是某市的四層建筑，分為地下一層和地上三層。從建筑風(fēng)格來說，例子中的建筑比較新，風(fēng)格也比較新穎，總建筑面積為243958.64m2。實(shí)例中的斜柱共有78根，從建筑的難點(diǎn)來看，斜柱的建筑就是整個建筑的難點(diǎn)。

2分析和設(shè)計(jì)斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件

2.1設(shè)計(jì)斜柱與垂直柱

⑴確定斜柱角度和位置。為了使樓層獲得到更大的使用空間，選擇將斜柱相連的上邊緣與樓面保持齊平狀態(tài)，并且將節(jié)點(diǎn)隱藏在樓層之下，之所以采用這種方法，主要想要確定出最佳的斜柱角度位置。⑵選擇構(gòu)件截面。在確定垂直柱與斜柱之間的夾角后，進(jìn)行初選構(gòu)件的截面。因?yàn)檫@個斜柱在空間上已經(jīng)形成垂直分布形式，所以在矩形鋼管混凝土柱的基礎(chǔ)層面上，可以充分考慮到雙向荷載的作用力，并且要選擇雙軸性較強(qiáng)的柱子。在進(jìn)行確定斜柱的尺寸時，需要依據(jù)垂直柱子的截面狀況，可以保持斜柱彎矩作用方向的矩形面寬度與垂直斜柱面寬度保持一致，各鋼管之間的翼緣展開焊接，同時也需要防止各截面尺寸所帶來的不同的鋼管局部壓力。

2.2分析和設(shè)計(jì)鋼梁的受力

在連接梁與鋼管混凝土柱過程中，需要滿足多方面需求，比如經(jīng)濟(jì)合理、方便施工、安全可靠、整體性好等等；在設(shè)計(jì)抗震作用時，在連接時需要先連接各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體，在各節(jié)點(diǎn)的周圍，需要分布型鋼梁或者鋼筋混凝土鋼梁時，同時也需要根據(jù)連接的具體要求，進(jìn)一步滿足剛接需求，⑴設(shè)計(jì)鋼筋混凝土梁與箱型牛腿。在鋼筋混凝土截面尺寸處于較大狀態(tài)中，可運(yùn)用多條工字型鋼梁與箱型牛腿進(jìn)行連接，在梁頂縱筋在深入節(jié)點(diǎn)后，其錨點(diǎn)的固定長度需要與國家相關(guān)規(guī)定要求相符合，并且在梁上端與梁下端進(jìn)行設(shè)置栓釘，這樣可以加強(qiáng)牛腿與混凝土之間的粘接力。這樣可表明，在設(shè)置鋼梁牛腿之后，其受力性也會發(fā)生很大變動，如果牛腿在參與到梁端彎矩受力作用之中，其梁端的彎矩也會從縱筋與牛腿上下邊緣所共同承擔(dān)這份力，同時梁端剪力也會由腹板和混凝土所承擔(dān)。⑵設(shè)計(jì)型鋼梁與牛腿。在設(shè)計(jì)型鋼梁節(jié)點(diǎn)時，型鋼梁的腹板與牛腿的腹板之間可運(yùn)用普通螺栓進(jìn)行連接，在采用剛性連接方式時，在運(yùn)用腹板螺栓加以連接時，在進(jìn)行焊接牛腿翼緣與型鋼梁翼緣時，各節(jié)點(diǎn)與型鋼梁為主要鉸接形式，可采用普通螺栓進(jìn)行連接腹板，這樣可以使梁端的剪力從普通螺栓傳遞給牛腿腹板，然后再很快傳遞到節(jié)點(diǎn)中，使節(jié)點(diǎn)承受更大的作用力。

3分析和研究混凝土斜柱構(gòu)件內(nèi)力

在分析混凝土斜柱構(gòu)件內(nèi)力過程中，分布斜柱構(gòu)件與直柱方案以及各相連構(gòu)件之間的內(nèi)力是有著很大差距的，為了能夠進(jìn)一步研究和探索出斜柱與直柱構(gòu)件在內(nèi)力方面上所存在著的差異，在深入分析和對比之后，如下分析結(jié)果中表明出兩種方案中是隱藏著內(nèi)力，主要如下：在豎向荷載作用力的現(xiàn)象下，無論從哪方面上來講，斜柱角度都是較小的，在協(xié)助構(gòu)件軸力的支柱方案中也不會存在著很明顯的變化。同時在斜柱的影響之下，這樣在豎向荷載作用力下，會給斜柱底部起到很大的作用力，并且與底部橫梁相關(guān)的頂部軸力也會進(jìn)一步增加。在設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮到型鋼所承擔(dān)的壓力以及軸拉力。

4混凝土斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的主要受力特點(diǎn)

在整體建模計(jì)算中，可采用SAP2000方式對這項(xiàng)進(jìn)行測試，其中斜柱、柱、梁之間可采用框架單元模式，同時剪力墻可采用薄殼單元方式，在分析和研究計(jì)算結(jié)果中，在水平作用力之下，其整個結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)與普通結(jié)構(gòu)并沒有很明顯的差異，但如果采納豎向荷載作用力時，可包括如下幾個特點(diǎn)：⑴所布置的斜柱與次梁方向所在平面，應(yīng)該保持著平衡。相對來講，同時斜柱平面所連接起的框架已經(jīng)承受著很大的軸力，在這樣的情況下，可以不必承受更多的彎矩。⑵支撐斜桿與斜柱之間也存在較大差異，同時桿端應(yīng)該考慮到剛連接的作用力，并且斜柱不但要考慮軸力的壓力情況，也需要承受住較大的彎矩力和剪力，這時候就需要根據(jù)壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。⑶由于柱子與整個重心發(fā)生偏離的現(xiàn)象，會影響整個結(jié)構(gòu)在豎向荷載力的影響下，產(chǎn)生附加彎矩，在一定程度上使剪力墻受到彎矩的影響，在核心筒的另一側(cè)的邊緣構(gòu)件也會直接受到相應(yīng)的壓力，在框架之內(nèi)所分布的軸力會發(fā)生相應(yīng)的變化，在另外一側(cè)的框架也會承受著較大的壓力。

5設(shè)計(jì)超長型鋼混凝土斜柱的節(jié)點(diǎn)

在保證混凝土斜柱安全時，其梁柱節(jié)點(diǎn)作為主要傳力位置，這也是這個工程設(shè)計(jì)中主要環(huán)節(jié)之一。依據(jù)節(jié)點(diǎn)受力的特征，并且在充分運(yùn)用了外加強(qiáng)環(huán)的連接方式。在斜柱的上、下端也就是在斜柱中心的角度中，不應(yīng)該集中進(jìn)行焊縫，并且也利用了相關(guān)的連接方式，同時在圓心處也會存在相應(yīng)的澆筑孔隙。與斜柱上端所相連接的構(gòu)件，會承受著較大的壓力。之所以要這樣做，主要是想要加強(qiáng)混凝土板的抗壓作用，如果壓力在適當(dāng)?shù)那闆r下，可以無需進(jìn)行加強(qiáng)，但需要注意的是鋼梁與樓板之間所產(chǎn)生的抗剪連接，是否能夠很好的傳遞出相應(yīng)的水平力度。與斜柱下端內(nèi)各個水平構(gòu)件是否承擔(dān)了相應(yīng)的受力，同時也需要考慮到混凝土樓板的抗壓現(xiàn)象，在這個環(huán)節(jié)中，樓板在施加壓力的狀況下，各個壓力相互抵消，這樣不但可以使各節(jié)點(diǎn)之間的變形相應(yīng)的減少，而且也可保證各樓板之間緊密相連。另外，在壓力不是很大的情況下，也可利用加厚樓板或者加強(qiáng)板筋等方式，這樣可以有效的解決各樓板中所存在的問題。為了能夠更好的研究出各節(jié)點(diǎn)間力的變形情況和分布情況，在這個節(jié)點(diǎn)中，運(yùn)用了有限元分析方法。加強(qiáng)柱鋼管、鋼梁、環(huán)等，都可運(yùn)用殼單元模擬形式。其中柱外伸為1.2m，梁外伸為1.65m，其下低柱可以采用固定方式，其他位置上可運(yùn)用自由端模式。在上柱或者梁上應(yīng)該加大外力的力度，在這樣的情況下，外力可以從整體加以計(jì)算，然后在確定其桿內(nèi)里時，可確定出其最后的結(jié)果。殼單元也可以遵循最大尺寸進(jìn)行研究和分析，在加強(qiáng)外強(qiáng)環(huán)以及鋼梁位置時，也應(yīng)該進(jìn)行相關(guān)的加密工作。通常情況下，殼單元的最大應(yīng)力經(jīng)常體現(xiàn)在外強(qiáng)環(huán)的連接處或者在平面內(nèi)框架的梁根部上，但是在對恒載作用是有著很嚴(yán)格的要求。在設(shè)計(jì)時，應(yīng)該考慮采用局部增加蓋板或者加厚上翼緣根部的方式方法，也可以運(yùn)用擴(kuò)大外環(huán)板的翼源指定范圍，并且在環(huán)板與梁翼緣根部所相交的部分，可運(yùn)用斜邊過渡的形式，這樣就會減少相應(yīng)的作用力。

6設(shè)計(jì)加勁肋

在連接上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)中，芯柱作為主要中間環(huán)節(jié)，受力情況較大，且荷載作用力也較大，為了可以很好地將上部結(jié)構(gòu)的荷載作用傳遞到下部柱子中，這時候需要在芯柱四周范圍內(nèi)，設(shè)置相應(yīng)的縱橫向加勁肋,這樣可以使節(jié)點(diǎn)組成一個整體，擴(kuò)散和傳遞荷載作用力。因?yàn)樾局鳛樯喜看怪敝M(jìn)行延伸的部分，所以在對比之后，可以選用外隔板方式，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

6.1設(shè)置縱橫加勁肋

在與節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的型鋼梁和混凝土，可以設(shè)置牛腿作為主要連接方式，這樣可以將梁端內(nèi)力傳遞到各節(jié)點(diǎn)之中。為了能夠使梁端縱筋在深入支座后，可以達(dá)到相關(guān)錨固要求之后，并且在梁高范圍之內(nèi)設(shè)置兩道橫向加勁肋后可以作為鋼梁牛腿的上下翼緣。主要節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)的剪力通常來自于斜柱垂直向下分力和梁端剪力。在布置縱向加勁肋可沿著指定方向加以布置，并且與斜柱以及芯柱之間進(jìn)行焊接，并且可作為是鋼梁牛腿的主要腹板，在加強(qiáng)縱向加勁肋的整體工作性能時，可避免縱向加勁肋板件的厚度要小于所發(fā)生的屈曲現(xiàn)象。

6.2設(shè)計(jì)橫向加勁肋的基本形式

在焊接鋼筋混凝土梁縱筋時，可在上下環(huán)板過程中，充分運(yùn)用換板與縱筋加強(qiáng)的基本原則，來確定出環(huán)板的厚度，在鋼管壁與環(huán)板時可運(yùn)用熔透焊接方式進(jìn)行連接，同時在與型鋼梁連接時可運(yùn)用栓焊連接；環(huán)板的厚度也需要達(dá)到相關(guān)需求，不能小于鋼梁牛腿的翼緣的厚度，在鋼管柱與換板邊緣之間最小邊距需要超過鋼梁牛腿翼緣寬度的0.75倍。

7結(jié)語

從上述的分析來講，本文主要與工程實(shí)際情況相結(jié)合，在深入探討和研究建筑工程中超長型鋼混凝土斜柱的設(shè)計(jì)方法，并且研究與常規(guī)型直柱所存在的主要差異，兩者進(jìn)行分析和比較，在比較之后，發(fā)現(xiàn)存在著如下幾方面主要問題：⑴在樓板之間的受力層，如果運(yùn)用局部樓板施加壓力方法，會直接影響著水平壓力相關(guān)因素；⑵在轉(zhuǎn)換斜柱過程中，采用簡單的轉(zhuǎn)換方式，也是最節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本的主要方式，但是在轉(zhuǎn)換中也需要采用相應(yīng)的措施；⑶為了能夠保證梁柱各節(jié)點(diǎn)的傳力作用，在安裝梁節(jié)點(diǎn)時，減少很多工作環(huán)節(jié)，同時也能滿足硬度、剛度的要求，在其對應(yīng)力較大的位置之中，需要采用對應(yīng)的策略；⑷在豎向荷載作用力下，可加強(qiáng)部分樓板與鋼梁之間的作用力；⑸在斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，也需要充分考慮到豎向力的作用，計(jì)算出相應(yīng)的內(nèi)力，并且也需要考慮到附加彎矩的影響。

作者：趙文覺 單位：中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司