等承载力法在钢管RPC柱结构体系电算中的应用.docx

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1、等承载力法在钢管RPC柱结构体系电算中的应用摘要：将钢管活性粉末混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系用于高层、超高层建筑中可以显著增加建筑物的使用面积，然而现行结构设计软件无法对钢管活性粉末混凝土柱进行建模。本文采用等承载力法，对钢管活性粉末混凝土柱结构体系在PKPM电算中的实现进行了一些有益的探索。关键字：钢管活性粉末混凝土柱、等承载力法、电算、结构体系1前言现如今越来越多的地方正在建或计划建高层、超高层建筑，钢管混凝土柱以其承载能力高成为了许多高层、超高层建筑的选择。但是对于一些超高层建筑而言，采用钢管混凝土柱，其截面尺寸仍较大。在这种情况下可采用钢管活性粉末混凝土（RPC）柱。活性粉末混凝土（

2、ReaetiVePOWderCOnCrete,简称RPC）具有超高强度（抗压强度可以很容易超过100MPa）、优越耐久性和体积稳定性良好等优点。将RPC灌入钢管中形成钢管RPC柱，这有利于房屋空间的布置和有效增加房屋的净使用面积，且钢管中的RPC受到钢管的有效约束，能克服不掺钢纤维的RPC脆性大和延性差的弱点。对于钢管RPC柱己有学者做过相关研究，姚良云口咽分别针对钢管RPC长柱受压和短柱偏心受压性能做了研究。林震宇对圆钢管RPC轴压柱的受力性能进行了较为详细的研究。在实际工程应用方面，1997年在加拿大Quebec省Sherbooke市中心的MagogRiver的一座跨度为60m的步行/自行

3、车桥的腹杆采用钢管RPC结构，桥面采用RPC板取得了良好的经济效益。但是目前钢管RPC柱应用于房屋建筑中的实例很少，这主要是由于缺乏对钢管RPC柱的设计方面的研究。现行规范中没有对混凝土强度超过80MPa的混凝土的设计规定，通用结构设计软件PKPM也无法对其进行建模。本文采用等承载力法，对钢管活性粉末混凝土柱结构体系在PKPM电算中的实现进行了一些有益的探索。2钢管RPC柱设计方法2.1 原工程概况原建筑模型为采用钢管混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系的商务中心，一地下2层、地上24层。主楼地下1层至地上11层柱均采用圆形钢管混凝土柱截面形式，钢管混凝土柱的截面尺寸为130Omm（钢管混凝土柱钢环

4、外径）义1262（钢管混凝土柱钢环内径）mm和IlOOmm1068mm两种。2.2 替换为钢管RPC柱的思路由于现有规范中的混凝土的强度等级为C15C80,故结构设计软件PKPM中并没有考虑混凝土强度等级超过C80的情况，无法对混凝土强度等级超过C80的混凝土进行输入、设计，更无法考虑RPC优异的抗拉强度、断裂性能。在实际设计时考虑用等承载力法来替换应有的钢管RPC柱，并对替换模型的可靠性进行验证，对节点处加强构造处理，保证安全可靠。2.2.1 替换为钢管RPC柱的替换方法等承载力替换法按照钢管混凝土柱的设计方法手算出采用RPC时的钢管RPC柱的截面尺寸，然后按照这个尺寸输入柱的尺寸参数，混凝

5、土的等级选择PKPM软件中提供的等级，然后进行电算。对于电算结果，不考虑达不到要求的柱截面承载力，仅研究其他的电算结果是否满足规范要求。按照规范高层建筑混凝土结构技术规范（JGJ3-2010）中附录F圆形钢管混凝土构件设计中的方法进行手算其截面尺寸。按照附录F中表F.1.2中0、的取值规定，建议对于RPC200而言，付取值大于1.56；取值小于1.80；柱轴向受压承载力取原工程（钢管混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系）电算结果中的最大值；长细比、偏心率也取钢管混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系电算的结果值。钢管混凝土单肢柱的轴向受压承载力设计值N“二例仍No其中：No=O.9A（l+6）（当6W网时）

6、NO=O9AfQ+瓜）（当。句时）本例中6陀,故按照NO=O94/（1+7+6）计算。式中：No一钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值；钢管混凝土的套箍指标；与混凝土强度等级有关的系数，按高层建筑混凝土结构技术规程附录表F.1.2中取值，这里混凝土的强度超出了规范的要求，假定为1.4；0一一与混凝土强度等级有关的套箍指标界限值。这里取作1.56；4、 4一一分别表示钢管内的核心混凝土与钢管的横截面面积；人、fa一一分别表示钢管内的核心混凝土与钢管的抗压强度设计值；l一一考虑长细比影响的承载力折减系数；e一一考虑偏心率影响的承载力折减系数；通过上述手算可得，1300mm1262mm钢管混凝土柱（

7、原工程）替换为750mmX724mm钢管RPC柱（新工程），110OmmX1068mm钢管混凝土柱（原工程）替换为650mm626mm钢管RPe柱（新工程）。由此可以看出把普通强度的高性能混凝土用RPC代替后，钢管混凝土柱的截面面积可以显著减小。按照替换后的柱截面尺寸输入模型中电算。结果显示柱钢管混凝土柱的承载力超限，剪力墙端的梁配筋超限，对于剪力墙端梁配筋超限的情况可通过增大梁截面面积等方法调整，而柱的承载能力超限是由于实际建模输入的混凝土的强度等级为普通的C50,并不是C200的，故柱的承载力超限可以不予考虑。原建筑与按替换后的钢管RPC柱结构建筑的总信息如表1所示，二者均考虑扭转藕联时的

8、振动周期（秒）、X,Y方向的平动系数、扭转系数如表2所示，X方向上地震作用下的楼层最大位移如表3所示。表1建筑结构总信息项目原建筑钢管RPC柱结构建筑建筑层数2626恒载产生的总质量（t）46251.10543988.621结构的总质量（t）51102.13748932.410表2考虑扭转藕联时的振动周期（秒）、X,丫方向的平动系数、扭转系数原结构振型号周期转角平动系数（X+Y）扭转系数12.6060.690.99(0.99+0.00)0.0122.025690.771.00(0.00+1.00)0.0031.695519.250.01(0.01+0.00)0.99钢管RPC柱结构建筑振型号周

9、期转角平动系数（X+Y）扭转系数12.65370.750.99(0.99+0.00)0.0122.060090.811.00(0.00+1.00)0.0031.683317.390.01(0.01+0.00)0.99表3工况1：X方向地震作用下的楼层最大位移原建筑钢管RPC柱结构建筑1/12411/716由表1可以看出，管混凝土柱替换为钢管RPC柱以后，结构恒载产生的总质量及结构的总质量均有明显降低。由表2可知钢管RPC柱结构的TlT=1.6833/2.6537=0.6343符合规范中“不应大于0.9”的规定。在不同工况下，X方向、Y方向均有不同的层间位移，以表3中的在工况1情况下的X方向地震

10、作用下的楼层最大位移为例，对比替换柱之后的层间位移情况，表3中MaX-DXZh即为楼层层间最大位移与层高之比，由表3可知替换后结构的最大层间位移由1/1241变为1/716,1/716大于规范规定的1/800,不满足规范要求。2.2.2 替换方案的评价按该等承载力法进行建模，由于RPC的实际弹性模量高于普通强度的混凝土，故本电算中所计算的钢管RPC柱的刚度偏小，进而致使一部分实际不会超限的梁端配筋超限，进而使得计算结果偏于保守，关于梁端配筋的计算偏于保守的问题需要进一步的研究。从电算结果也可以看出，采用钢管RPC柱后结构的自重有明显降低，这可以在一定程度上减少材料用量,并且自重的减少也有利于提

11、高结构的抗震性能。与原钢管混凝土柱相比，钢管RPC柱的刚度降低较多，这使得结构的最大层间位移增大很多，会使得一部分层间位移超限，故在使用钢管RPC柱时需注意最大层间位移的问题。但由于PKPM电算中所采用的钢管RPC柱的刚度偏小，故最大层间位移超限的原因之一是偏于保守地考虑了钢管RPC柱的刚度所导致的。但是关于在考虑了钢管RPC柱的实际刚度后，最大层间位移能否满足规范的要求也需要进一步研究。由于RPC的强度很高,远高于现有规范中的混凝土强度等级，故如需钢管对核心区RPC提供足够约束力则在相同条件下钢管的厚度要增加，即对钢管RPC柱的径厚比要求更严。建议在设计钢管RPC柱时按照钢管混凝土柱的轴压比

12、限值设计时，适当降低轴压比承载力限值。3结语(I)将钢管活性粉末混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系用于高层、超高层建筑中可以显著增加建筑物的使用面积，减少结构自重和材料用量，有利于提高结构的抗震性能，因此具有很好的应用前景。(2)由于RPC的实际弹性模量高于普通强度的混凝土，故本电算中所计算的钢管RPC柱的刚度偏小，使一部分实际不会超限的梁端配筋超限，进而使得计算结果偏于保守。(3)与原钢管混凝土柱相比，钢管RPC柱的刚度降低较多，这使得结构的最大层间位移增大很多，在采用钢管RPC柱时需特别注意最大层间位移的超限问题。(4)建议设计时，适当减小钢管RPC柱的径厚比，适当降低轴压比承载力限值。(5)采用等承载力法，可以对钢管RPC柱结构体系在PKPM中进行建模电算。参考文献11姚良云.钢管RPC长柱轴压受力性能试验研究J.福建建设科技,2007(6):15-16.2 姚良云，吴炎海,林清.钢管RPC短柱偏心受压受力性能试验研究J福建建筑,2005(3)：21-23.3 林震宇.圆钢管RPC轴压柱受力性能研究D.福州大学,2004.4 JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规范SL中国建筑工业出版社,2002.