试析混凝土抗震结构体系和经济性能研究
作者：磨石学校 | 来源：磨石学校 | 最后更新：2013-12-06 | 点击： 次
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混凝土在工程建筑的应用数不胜数，本文仅以混凝土大跨度板柱与混凝土密肋梁板为例，运用计算实例的方法依次探讨混凝土大跨度板柱与混凝土密肋梁板两种体系的结构方案的区别与不同，比较混凝土大跨度板柱与混凝土密肋梁...
混凝土在工程建筑的应用数不胜数，本文仅以混凝土大跨度板柱与混凝土密肋梁板为例，运用计算实例的方法依次探讨混凝土大跨度板柱与混凝土密肋梁板两种体系的结构方案的区别与不同，比较混凝土大跨度板柱与混凝土密肋梁板结构方案在抗震性能与经济性两个方面的功能特点和优劣，同时对混凝土大跨度板柱构造提出具体设计要求和设计过程中应注意的具体事项。
作为从桥拱建筑中发展而来的混凝土大跨度板柱，发展历史悠久，应用广泛，特别是经过现代科学技术的运用，发展为一种新型建筑体系，由于其结构设计较容很符合抗震设计理念，混凝土大跨度板柱只要设计、构造措施得当，对改善框架节点的延性、增加节点区在地震作用下的变形能力有非常大的作用。同时会有效避免混凝土灌注中出现的许多现实问题：诸如在施工过程中由于框架节点区钢筋过于密集，混凝土难以灌注的问题，振捣困难的问题等等。由此，大跨度板柱体系在结构设计中越来越得到更为广泛的应用。伴随着我国混凝土行业、高层建筑业的蓬勃发展，行业规范越来越严格，对混凝土制品的品质的标准也更高，这在一定程度上也加快和推广了大跨度版主的发展和应用。再就是大跨度板柱体系在经济方面和混凝土密肋梁板相比较也具有很大优势。在下文中，对大跨度板柱体系和混凝土密肋梁板体系在抗震性能和经济性方面作计算分析比较。
一、结构方案概述及计算分析结果
本工程处于8度抗震设防烈度区，属三类场地，基本风压0．35kN/m2,框架抗震等级三级。X方向总长7．3x6=43．8米，Y方向总长8．2x3＝24．6米。大跨度板柱体系：结构总高度为3．0米x9层＝27米，框架柱600x600，外围框架梁考虑到门窗洞口的设置以及避免形成边框架扁梁偏心的因素，采用300x600，其余内框架梁800x400，次梁400x400；混凝土密肋梁板体系：结构总高度为3．3米x9层＝29．7米，框架柱600x600，框架梁300x600，次梁250x500。
现在用中国建筑科学研究院PKPM系列SATWE软件依次对它们进行计算分析，来研究大跨度板柱与普通混凝土密肋梁板两种方案的地震作用效应。我们通过数据数据明显看到：当地震作用时，两种板柱体系表现出近似的地震效应，特别是处于两个方向同时产生地震平动效应。混凝土密肋梁板体系拥有较高的空间抗侧强度，而大跨度板柱体系又具有相对高的空间抗扭强度。原因在于：处在水平地震受力下，混凝土密肋梁板具有很高的抗弯强度，柱端受到的约束作用力相对较强，完全抵消了高空间的影响后表现出更大的空间强度；但大跨度板柱在建筑平面内的约束却拥有更大的强度，因而展现出更好的结构整体抗扭性能，当抵抗地震扭转作用时充分发挥了这些强度的平衡作用。以上结论对我们具有一定的参考价值，对这两方面的地震反应特点进行结构概念设计,结构方案选择时应予以重视。
二、通过比较来看两种结构方案的经济性
我们通过数据可以分析出，选择混凝土密肋梁板体系比采用大跨度板柱体系节省钢筋用量28％左右，节省混凝土用量10％左右，如果采用大跨度板柱体系当可以将高度差范围的维护结构（框架填充墙以及玻璃幕墙等）的费用节省。如果放弃结构总高度的因素下，运用混凝土密肋梁板体系具有相对的经济优势，相反，如果是结构总高度设为确定值的状况下，运用大跨度板柱体系当拥有可以在本来建筑基础上再递增一重的经济效应，这对现在寸土寸金的购地建筑中能大大降低成本，具有明显的优势！
三、大跨度板柱的设计构造要求
在构造设置过程当中，大跨度板柱的宽高比不能过大，即使能符合当下《建筑抗震设计规范》第6．3．2条的规定：a)梁截面宽度≤2倍柱截面宽度;b)梁截面宽度≤柱截面宽度+梁截面高度;c)梁截面高度≥16倍柱纵筋直径的规定，而规定所允许的条件，是大跨度板柱设置的最低限度准则。在大跨度板柱宽高比过大（接近规定要求限定值）的时候，它的传力机理更加多变，节点外关键区抗扭变数成为关键难题。因为当下的试验数量不多，和大跨度板柱柱节点相关的研究还在不断的研究和完善之中，故而对构造设置的工作人员来说，运用宽高比过大的设置，对于强度和裂缝控制层面是需要冒一定的风险的。当前面对大跨度板柱的设置方案通常采用比较严格的设计要求配筋，最后再按照结构分析计算结果对比复核。其设计要求为：
1．关于框架节点关键区中水平抗剪箍筋的设计：大跨度板柱框架节点关键区水平抗剪箍筋除了于内核心区柱内按照实施的混凝土结构设计规范要求设计之外，另外要在外核心区周边设计：二级抗震等级≥€%o13@100；二、三级抗震等级≥€%o9@100；非抗震等级≥€%o7@100；可利用大跨度板柱腰筋双向贯通设置双向大跨度板柱节点。可利用大跨度板柱腰筋双向贯通附加另向水平拉结筋设置单向大跨度板柱节点。
2．关于板柱节点关键区抗扭纵筋设置：双向大跨度板柱柱高相等时，应运用计算标准增加板柱纵向钢筋配置；双向大跨度板柱柱高不等时，应在矮大跨度板柱方向外关键区底部增加朝上开口箍筋配置底部抗扭纵筋；单向混凝土大跨度板柱时，应通过设置节点关键区附加封闭箍筋构成。应当运用附加箍筋形式时，其构造要求为：二级抗震等级≥€%o13@100；二、三级抗震等级≥€%o9@100；非抗震等级≥€%o8@200。
3．关于板柱节点外关键区周边抗扭封边箍筋设置：节点外关键区大跨度板柱纵向钢筋和节点外关键区角部附加垂直拉筋焊接或搭接配置，附加垂直拉筋的配置要求：二级抗震等级≥€%o13@100；二、三级抗震等级≥€%o9@100；非抗震等级≥€%o8@100。
四、采用大跨度板柱体系应注意的几个问题
1．在一定条件下，大跨度板柱的设计会由强度控制转化为由构件裂缝宽度和挠度控制，这个条件就是：大跨度板柱一侧的受拉钢筋配筋率达到3．0%左右。依据现行《混凝土结构设计规范》中第8．1．1条规定，当按照结构所处环境情况和结构不同来确定相对的裂缝控制等级和最大裂缝宽度限值。因此对于一般混凝土建筑进行验算的控制要求是：裂缝宽度限值应按0．25mm，屋顶负弯矩区应按0．18mm的标准进行。挠度验算有时候会起到决定性的作用，这是因为大跨度板柱对竖向荷载的抗弯强度相对较弱，所以，在建筑顶层永久荷载相对较大而活荷载相对微弱，必须考虑荷载长久效应受力影响的长久强度BL＝MsBs/[ML（€%a－1）＋Ms]计算的时候，永久荷载所占据比例越大，那么BL就越小，挠度就会越大。
2．在大跨度板柱的设计过程中，大跨度板柱的裂缝宽度及挠度的控制常常趋近现行规范所规定的限定值。假如在混凝土固化、养护中间由于施工因素导致的微弱伤损在之后结构交付使用后会更加容易增大，会对结构的安全运用产生很不利的影响，严重的会危急到结构安全，因此在施工中间需要强化对大跨度板柱的混凝土养护状态的监测和必要的保护。如果需要，应在梁柱节点区应用在混凝土中加入一定量得钢纤维的做法，从而加强大跨度板柱柱节点初裂承载力以及极限承载力，从而优化混凝土的裂缝形态，让裂缝更均匀、更细。
3在裂缝同挠度于具体施工当中形成主要冲突时，当前我国大多采用后张法预应力混凝土大跨度板柱的设计方案，在使用这种结构方案时，由于大跨度板柱的截面惯性矩相应比较小，因此预应力张拉施工期间常常是使用此方案体系受力的最不适宜的阶段。
五、结论
1．大跨度板柱和混凝土密肋梁板体系于一样的地震效应情况下表现出相似的地震平动效果：肋梁体系拥有相应稍高的建筑抗侧强度，大跨度板柱体系拥有相应稍高的建筑抗扭强度。
2．因为当前阶段对于大跨度板柱柱节点的研究还不全全面，因此现在在使用大跨度板柱体系构造设计时应该按照较为严谨的结构设计标准。
3．使用大跨度板柱体系比使用混凝土密肋梁板体系方案能够明显减小建筑层高，实现结构净高目的，如果放弃结构总高度的限制效应，使用后者方案的单位工程总造价将节省将近6％。当在乎结构总高度限制效应的状况下，大跨度板柱体系会拥有更大的经济综合效益。因为大跨度板柱体系中空间内梁底同现浇板底的高差相差不是太大，构造比较美观，通常情况下当可节省空间内内顶的装饰成本。
4．在使用大跨度板柱体系中，挠度和裂缝的把握是构造设计进程的关键，在现实条件不能合乎设计普通钢筋混凝土大跨度板柱体系时，应使用预应力钢筋混凝土、钢纤维混凝土技术从而改善混凝土材料的构成关系、改变梁的受力效应等方案来处理。
支撑结构的强度严重影响了大跨度板柱空间网格的受力效应。在空间网格被托起在西昌的柱子上时，它相当于一块连接在柔性柱顶的刚性横隔板，彼此合理衔接，承托拉紧。这种空间结构的横向拉伸由柱子的竖向悬臂作用和通过柱间剪刀撑得到支持。当构造柱间支撑时需要小心切勿把这种空间结构的温度伸缩变形过分约束，要留有合理的效应伸缩空间。要达到这种目的，通常是运用在矩形板柱平面的各边中部的柱间加设剪刀撑。如此水平地震力就会依据柱子的各自相对强度进行比例分配。
近几年，大跨度建筑大量涌现，特别是大跨度板柱体系和混凝土密肋梁板这两种新的结构体系的较多应用，大跨度建筑已逐渐商品化，作为投资者，希望所建的工程价廉物美，在满足市场需要的同时，个人或企业有所发展，而作为客户需求方则既考虑造价，又考虑建筑物的质量，也就是综合考虑结构的抗震性能及经济指标。通过抗震及经济性能分析，寻找合理的使用范围，对更好的发展大跨度大空间建设、满足社会长远的生活需要、建设更好更多的绿色大跨度建筑体系具有重要意义。
大跨度板柱体系空间结构具有结构合理、造型丰富多彩等优点,被广泛应用于各类大跨度公共建筑中。诸如体育馆、展览馆、机库、候车厅、候机库、大型内游乐中心、商业中心等大跨度建筑，这类建筑重要性等级通常较高,一旦破坏,将对人民的生命财产造成严重危害,所以,对空间结构进行谨慎、细致的抗震设计具有十分重要的意义。
对于地震力与所要求的结构延性建立对应关系，国外一般有如下三种设计方案：
（1）较高地震力——较低延性方案；
（2）中等地震力——中等延性方案；
（3）较低地震力——较高延性方案。
能够保证结构的承载力的是高地震力方案，低地震力方案主要是保证结构的延性。当在现实的震害中，此三类预防方案，无论经济性还是抗震能力来看，都可达到防震目的要求。
我国的抗震设计采用的是方案（3）即较低地震力——较高延性方案，即采用明显小于设防烈度的小震地面运动加速度来确定结构的设计地震作用，并将它与其他荷载内力进行组合，进行截面设计，通过钢筋混凝土结构在屈服后的地震反应过程中形成较为有利的耗能机构，使结构主要的耗能部位具有良好的屈服后变形能力，来实现“大震不倒”的目标。
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