¿Un resumen de los problemas de diseño de estructuras de columnas con formas especiales?
1 Descripción general
Los promotores y usuarios residenciales exigen cada vez más que las columnas e incluso las vigas principales de los edificios residenciales no sobresalgan de la pared, lo que ha promovido en gran medida cambios en las formas de la sección transversal de las columnas. y promovido La estructura de columnas de forma especial nació y floreció en vastas áreas de todo el país. Las columnas de formas especiales se refieren a formas de sección transversal distintas de las rectangulares y circulares, como en forma de T, en forma de cruz, rectangulares, etc. Su ventaja es que las patas de las columnas son básicamente tan gruesas como la pared de relleno, por lo que no hay crestas de columnas en la habitación, lo que facilita una distribución interior flexible y aumenta el área útil. Las estructuras de columnas de formas especiales se pueden dividir en estructuras de marcos de columnas de formas especiales y estructuras de muros de corte de marcos de columnas de formas especiales. Cada estructura tiene una altura aplicable diferente, que es más estricta que las estructuras de columnas ordinarias.
2 Propiedades mecánicas de las columnas de formas especiales
2.1 Capacidad portante
Las columnas de formas especiales se diferencian de las columnas rectangulares, que se componen de múltiples miembros. La relación entre la altura de la sección del pie de la columna y el ancho del pie de la columna es generalmente de 2 a 4. El contraste de rigidez en las dos direcciones dentro y fuera del plano del pie de la pared es grande, lo que resulta en una rigidez inconsistente en cada dirección y una gran diferencia en la capacidad de carga. en cada dirección.
2.2 Características de deformación
Generalmente, la altura del piso de los edificios residenciales es de 2_8~3,0 my el espesor de las patas de las columnas con formas especiales es de 200 mm. Para obtener suficiente capacidad de carga, la longitud de las extremidades de las columnas con formas especiales generalmente no debe ser demasiado pequeña. Esto fácilmente conducirá a columnas cortas (la altura libre h de la columna/la longitud de las extremidades h de la columna es inferior a 4). ). La deformación por corte será el factor principal y la capacidad de deformación del componente disminuirá. Incluso si hay columnas con relación de presión axial H/H >: 4. Dado que las columnas de formas especiales son componentes de paredes delgadas, debido a la pequeña curvatura de la sección transversal m/ei o ecufX (ecu es la deformación por compresión última del hormigón, X es la altura de la zona de presión de la sección), el rendimiento de deformación por flexión es limitado y la ductilidad es pobre.
2.3 Mecanismo de falla
Debido a que la columna de forma especial tiene múltiples ramas, su centro de corte a menudo está fuera del rango del plano. Cuando se tensiona, depende de la deformación coordinada del núcleo de hormigón en la intersección de cada rama de la columna. Esta deformación coordinada provoca grandes esfuerzos de alabeo y esfuerzos cortantes en cada rama de la columna. Sin embargo, la existencia de este esfuerzo cortante hace que las ramas de la columna sean propensas a agrietarse primero, es decir, se generan grietas por corte abdominal, lo que coloca el núcleo de hormigón de cada rama en un estado de corte tridimensional, provocando la fragilidad de las columnas con formas especiales. aumentar, haciendo que la capacidad de deformación de las columnas de formas especiales sea menor que la de las columnas ordinarias. Al mismo tiempo, las columnas de formas especiales tienen condiciones de compresión de las alas de la columna de ala simple, ductilidad deficiente y secciones transversales asimétricas que conducen a ductilidad asimétrica. Cuando la carga actúa sobre el plano del alma y el ala está en el lado de tensión, la columna de forma especial se volverá frágil bajo una pequeña presión excéntrica; cuando el ala está en el lado de compresión, la columna de forma especial se dañará con una excéntrica grande; calandrado. Una gran cantidad de datos de pruebas y análisis teóricos nacionales y extranjeros muestran que los modos de falla de las columnas de formas especiales incluyen falla por flexión, falla por compresión excéntrica pequeña, falla por corte por compresión, etc. Los factores que afectan su forma de falla incluyen: ángulo de carga, relación de compresión axial, relación de tramo de corte, relación de estribos y relación entre el espaciado de estribos S y el diámetro longitudinal del acero D, etc. Debido a la particularidad de su sección transversal y la complejidad de sus propiedades mecánicas, la resistencia y ductilidad de las columnas de formas especiales deben garantizarse mediante análisis de cálculo confiables y las medidas estructurales necesarias en el diseño.
Análisis computacional de tres columnas de formas especiales
3.1 Método de cálculo
En zonas de baja intensidad, cuando la fuerza horizontal actúa dentro del eje de simetría de la sección (como las columnas con formas especiales (en forma de cruz), la tensión de alabeo es muy pequeña en los cálculos del análisis elástico. En este momento, como miembro excéntrico que soporta una fuerza horizontal, todavía se puede analizar basándose en el supuesto de una sección plana y calcularlo de acuerdo con especificaciones de diseño específicas. Sin embargo, en áreas de alta intensidad, las fuerzas horizontales actúan en direcciones no principales del eje y no se puede ignorar la tensión de alabeo. Si el error al suponer una sección plana es grande, se debe realizar un análisis de elementos finitos para determinar las fuerzas internas y la ubicación y el tamaño del refuerzo. Al calcular las fuerzas internas y los refuerzos, se debe utilizar software con funciones de cálculo de columnas con formas especiales, como los programas TAT y SATWE de la Academia China de Ciencias de la Construcción.
El software TBSA no puede ingresar directamente la forma de la sección transversal de columnas con formas especiales. Necesita simplificar las secciones transversales con formas especiales en secciones transversales rectangulares de acuerdo con el principio de igual rigidez bidireccional de las columnas. Sin embargo, en este momento hay un error de área y el ángulo del eje principal del centroide de la sección de la columna también ha cambiado, lo que afecta aún más el cálculo de la fuerza interna del componente y otros resultados de cálculo. Al mismo tiempo, también existen problemas con el posicionamiento de las columnas y la longitud calculada de las vigas. Los programas TAT y SATWE pueden ingresar directamente la sección transversal de columnas con formas especiales, por lo que este problema no existe. Al calcular la rigidez de una columna de forma especial, la coordenada del eje principal del centro de masa principal se utiliza como punto de referencia para obtener el momento de inercia del centro de masa principal de la columna de forma especial. La viga conectada a él también se superpone al centro de masa principal de la columna de forma especial. Durante el cálculo, según las fórmulas clásicas de la mecánica de materiales, se calculan el momento de inercia y el ángulo de dirección de varias secciones de formas especiales en el eje principal, y se establece la rigidez unitaria del eje principal junto con la rigidez de la viga. mueble y mueble alto, participa en el análisis general de la estructura, que es más razonable.
3.2 Modelo de cálculo
Porque en proyectos reales, los componentes verticales a menudo no son todas columnas de formas especiales con miembros de pared relativamente largos (muros de corte generales o algunos miembros de corte cortos). muro de corte) a menudo se mezclan para formar una estructura de marco de columna y muro de corte de forma especial. Al ingresar el modelo de cálculo de este tipo de estructura, algunos diseñadores a menudo ingresan columnas con formas especiales de acuerdo con los muros de corte de miembros cortos, y algunos incluso ingresan todas las columnas de formas especiales de la estructura del marco de columnas de formas especiales de acuerdo con los muros de corte de miembros cortos. Paredes, lo que inevitablemente conducirá a problemas de cálculo. Se descubre que los errores de algunos componentes afectarán la seguridad de la estructura y los componentes.
Por ejemplo, en vigas de estructura, según la entrada de columnas de forma especial, la longitud de la viga toma la longitud del centroide de las columnas de forma especial en ambos extremos, pero de acuerdo con la entrada del muro de corte de rama corta, la longitud de la viga toma la longitud final de las ramas de la pared, dos métodos. Esto da como resultado una gran diferencia en la fuerza interna y el refuerzo de la viga.
Los siguientes ejemplos analizan las diferencias en el período de vibración natural, la acción sísmica, el movimiento lateral estructural y la fuerza interna estructural causada por los dos métodos de entrada. Ejemplo: el tamaño de la cuadrícula de columnas de una determinada estructura es 4,2 x 4,2 m y el diseño se muestra en la Figura 1. ***Estructura de cuatro pisos, columnas de forma especial, altura 3,0 m, 8 grados, es un sitio Clase II. La viga principal es de 200 mm x 500 mm, la viga secundaria es de 200 mm x 400 mm y el grado de resistencia del hormigón es C25. Los valores estándar de la carga estática y la carga viva en el piso son 4,5 kn/m y 2,0 kn/m respectivamente, y el valor estándar de la carga lineal en la pared sobre la viga es 7,5 kn/m. todas las entradas en forma de columnas con formas especiales, y el modelo 2 se introduce en forma de columnas con formas especiales. Las columnas periféricas con formas especiales se introducen en forma de muros de corte de tramos cortos. Comparación de análisis sísmico y software TAT. Los resultados del cálculo muestran que, en comparación con el modelo 1, el período de vibración natural del modelo 2 introducido por el muro de corte de rama corta se reduce en un 10,4%, el efecto del terremoto aumenta en un 15,2%, el movimiento lateral de la estructura se reduce en un 32% y Las fuerzas internas de la estructura son todas menores que las del modelo 1.
4 Control de la relación de compresión axial
Para estructuras de pórticos y estructuras de corte de pórticos, la ductilidad de las columnas juega un papel muy importante en la disipación de la energía sísmica y la prevención del colapso del pórtico y la compresión axial. La relación es un indicador clave que afecta la ductilidad de las columnas de hormigón. A medida que aumenta la relación de compresión axial, la ductilidad lateral de la columna disminuye drásticamente. En condiciones de alta relación de compresión axial, aumentar el número de estribos tiene poco efecto en la mejora de la ductilidad de la columna. Por lo tanto, el control de la relación de compresión axial es crucial para la ductilidad de la columna. En particular, el centro de corte de la estructura de columna de forma especial no coincide con el centro de masa de la sección. El esfuerzo de corte causa grietas en las ramas de la columna de concreto frente al miembro de corte por compresión rectangular ordinario, lo que lleva a una falla por corte abdominal. . Además, las columnas de formas especiales son en su mayoría columnas cortas, lo que da como resultado una mayor fragilidad de las columnas, y la ductilidad de las columnas de formas especiales es generalmente menor que la de las columnas rectangulares. Por lo tanto, la relación de compresión axial de las columnas de formas especiales debe ser estricta. revisado.
5 Estructura Estructural
5.1 Estructura de Acero
Después de una correcta selección y cálculo estructural, la estructura de acero en la sección también es un factor importante para garantizar el rendimiento mecánico. de columnas de formas especiales. Debido a las características de la sección de columna de forma especial, habrá más tensión artificial en los extremos de los miembros de la columna, y los miembros de la columna se esforzarán de manera desigual. Generalmente, cuanto más cerca del extremo de la rama de la columna, mayor será la tensión, lo que formará una presión excéntrica en la rama de la columna y aumentará aún más la tensión de compresión en el extremo de la rama. Por lo tanto, en el refuerzo de columnas de formas especiales, las barras de acero longitudinales deben concentrarse en las áreas de las esquinas donde se conectan los extremos de las extremidades y las barras de acero estructural con un espaciamiento de no más de 200 mm deben disponerse uniformemente en las partes restantes. El diámetro es de 14 mm, lo que es consistente con el diámetro y el espaciado del estribo. Las barras de unión en la misma columna pueden limitar el desarrollo de grietas de concreto en las extremidades de la columna y mejorar la resistencia al corte local y la capacidad de deformación de las columnas de formas especiales. Los estribos de las columnas se determinan mediante cálculo. El ajuste de estribos no sólo puede resistir la fuerza de corte, sino también inhibir la deformación del hormigón y aumentar su ductilidad. No es fácil formar estribos compuestos de múltiples ramas para columnas de formas especiales, y la relación de refuerzo sólo se puede lograr aumentando el diámetro de los estribos y un espaciamiento denso. Con la misma relación de estribos, el diámetro de los estribos es grande y el índice de ductilidad es bueno, por lo que los estribos pueden ser 4, 8, 4 o 10, y su espaciado es menor que el de los estribos de columna ordinarios.
5.2 El resto de la estructura
5.2.1 Requisitos de materiales
(1) El grado de resistencia del hormigón no debe ser inferior a C25 ni superior a C50 . Las propiedades mecánicas del hormigón por encima de C50 son muy diferentes de las del hormigón de resistencia ordinaria.
(2) Las barras de acero que soportan tensiones longitudinales deben ser barras de acero HRB400 y HRB335 de alta resistencia. Al utilizar barras de acero de alta resistencia, el diámetro de las barras de acero no será demasiado grande, lo que reduce el número de barras de acero y facilita la disposición; si el diámetro de las barras de acero es demasiado grande, provocará dificultades en la construcción; anclajes y estructuras de unión.
Requisitos del Capítulo 5.2.2
(1) La relación entre la altura de la extremidad y el espesor de la extremidad de la sección de columna de forma especial no debe ser mayor que 4, y la extremidad El espesor no debe ser inferior a 200 mm. Cuando el espesor de la extremidad es inferior a 200 mm, es difícil instalar barras de acero en el área central de las juntas viga-columna. La fuerza de unión y anclaje entre las barras de acero y el hormigón es insuficiente, lo que dificulta garantizar la seguridad estructural. construcción inconveniente.
(2) Las columnas con formas especiales no deben ser en zigzag ni en zigzag. Las columnas de sección transversal en forma de I tienen poca rigidez fuera del plano debido a que sus miembros son delgados y no tienen restricciones en las alas, especialmente cuando un lado está atado con una viga, y se dañan fácilmente bajo la acción de un terremoto. Las columnas de sección transversal en forma de Z tienen tensiones complejas. Las extremidades de la columna tienen tensión de alabeo y tensión de corte, y el alma de la columna también tiene un gran torque, lo que es fácil de causar daños bajo tensión compleja. (3) Se deben evitar en la medida de lo posible las columnas cortas y extremadamente cortas, y la relación de luz de corte de las columnas con formas especiales debe ser mayor que 2 para reducir el riesgo de falla de la unión frágil bajo la acción de un terremoto.
Capacidad de carga de corte del área del núcleo de 6 nodos
Debido a las características de la sección transversal de las columnas con formas especiales, el área del núcleo de los nodos viga-columna es pequeña y la intersección de barras longitudinales viga-columna hace imposible tener demasiados estribos. Para cumplir con los requisitos de capacidad de carga de corte, la calidad del concreto solo se puede mejorar, pero el problema que esto conlleva es que los componentes se vuelven quebradizos, y la coordinación con la resistencia del concreto viga-losa también es un problema. . A veces, la calidad del hormigón de todas las columnas se aumenta para satisfacer las necesidades de columnas individuales, lo que también provoca un desperdicio de inversión. Para resolver este problema, adoptamos el método de agregar placas de acero verticales a las columnas en el área central del nodo en el proyecto terminado. Las placas de acero se extienden hasta la zona central del nodo y están ancladas a una longitud determinada. A partir del trabajo conjunto de placas de acero y hormigón, se calcularon y analizaron las dimensiones de la sección transversal de las placas de acero. El resultado final del diseño es que el tamaño de la sección transversal de la placa de acero es pequeño, lo que no afecta la disposición de las barras de acero en vigas y columnas. La configuración de la placa de acero es flexible y se puede agregar donde sea necesario. El proyecto ha sido completado y utilizado con buenos resultados.
7Conclusiones
Las estructuras de columnas de formas especiales se diferencian de las estructuras de columnas rectangulares (circulares) en términos de propiedades mecánicas y rendimiento sísmico.
En el diseño, debemos comprender completamente varios mecanismos de daño en función de sus características de tensión, elegir modelos de cálculo y diseño estructural razonables, dominar correctamente los métodos de análisis por computadora y la construcción estructural, y garantizar la seguridad y confiabilidad de la estructura para promover esta enorme demanda del mercado. El sano desarrollo de los sistemas estructurales de columnas con formas especiales.
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