建筑工程中框架柱损伤破坏表观特征与受力机理分析论文
摘 要:通过对框架柱中的角柱、中柱、边柱从各自的位置特点、损伤破坏表观状况及受力机理等方面进行了研究总结,为针对不同位置损伤框架柱制定不同加固方案提供理论支持。
关键词:边柱;中柱;角柱;破坏现象;受力机理。
1、前 言
实际加固工程案例中,柱构件的加固案例最多,为构件加固的重中之重。在制定加固方案时,不仅要考虑损伤柱的损伤特征,还要弄清其破坏机理等。另外,不同的加固方案有其不同的特点,因此其针对性也不同。本文考虑到角柱、中柱、边柱,因其位置不同,柱的受力、构造和破坏特点、产生原因等也不尽相同,进而制定加固方案时要有针对性。因此本文对这些方面进行了总结,以期为针对性制定损伤柱的加固方案提供理论依据。
2、角柱、中柱、边柱的定义
2.1、角柱的定义[1~2]角柱一般情况下是指建筑物四角的柱,对于一些门厅、雨棚下边的某些柱,也可能属于角柱。角柱几乎均等的承受两个方向的地震作用,设计时不仅要考虑双向偏压还要考虑扭转效应的影响,因此给弯矩和剪力设计值相应的乘以增大系数1.1。
2.2、中柱的定义[1~2]钢筋混凝土框架中柱即处于框架中间,柱四个方向都有梁连接的柱子,由于受力相对简单,各种规范标准并没有给出特殊规定。
2.3、边柱的定义[1~2]边柱即柱子空间三个水平方向上有梁拉结的柱子。相对于中柱来说,边柱处于建筑物的边缘位置,受力情况急所处环境影响较中柱复杂,但我国当前的规范中,并没有对针对边柱有一些特殊的要求,而是对中柱和边柱同等对待,轴压比及其他的一些构造要求都是相同的。
3、角柱、中柱、边柱的破坏形式
3.1、角柱的损伤破坏形式
角柱在实际工程中的损伤破坏表观特征如图1所示。
图1 RC框架角柱的损伤破坏现象
损伤特征描述如下[3]:(a)柱头混凝土保护层变形脱落,混凝土有轻微压酥,钢筋屈服变形;(b)柱端混凝土完全压酥、粉碎,箍筋已拉脱变形,柱顶形成塑性铰,柱体成倾斜状,几乎与建筑脱离。
3.2、中柱的损伤破坏形式
中柱在实际工程中的损伤破坏表观特征如图2所示。
图2 RC框架中柱的损伤破坏现象
损伤特征描述如下[3]:(a)柱顶装饰层脱落,保护层与部分混凝土碎裂,纵筋外露,部分压屈变形;(b)柱身中部混凝土大面积压酥、成块分离,纵筋箍筋弯曲变形。
3.3、边柱的损伤破坏形式
边柱在实际工程中的损伤破坏表观特征如图3所示。
图3 RC框架边柱的.损伤破坏现象
(a)柱顶装饰层脱落,保护层与部分混凝土碎裂,纵筋外露,部分压屈变形;(b)柱身中部混凝土大面积压酥、成块分离,纵筋箍筋弯曲变形。
4、框架柱受力破坏机理分析
从受力机理角度出发,结合国内外学者的试验研究及工程实例的总结[4],柱子破坏主要分为以下8种典型的受力破坏形式。
如图4所示。
图4钢筋混凝土柱的受力破坏形式
(1)对于角柱,处于压、弯、剪复合受力,无地震作用下,由于所处位置的特殊性,一般会以小偏心受压形式破坏如图4(b),若箍筋无加密,或者配置不合理,很容易出现各种受剪等脆性破坏形式如图4(d),4(e),4(g),4(i)。在地震作用时,由于角柱得几乎均等承受两个方向的水平地震作用,所以地震作用叠加,会对角柱造成更严重的破坏,如图4(f)。
(2)中柱的受力破坏形式,一般为轴心受压破坏类型如图4(a),但在一些特殊情况下,有可能在承受竖向荷载和不平衡弯矩共同作用下,节点处破坏形态可能会出现剪切破坏如图4(d)。
(3)边柱的受力破坏形式,一般为偏心受压破坏类型如图4(b)~(c),但剪力过大时,会出现图4中的剪切破坏,在地震作用下也会出现粘结破坏等。
5、钢筋混凝土柱的损伤原因分析
5.1、设计方面[5]改革开放以前,我国规范中规定的梁、柱钢筋最小用量比国外来低一倍以上。结构抗震除了设防烈度较低以外,在抗震设计计算方法和构造规定上都比国外保守。技术层面,箍筋在配置时未加密,或直径取值偏小,造成约束纵筋能力减弱,很容易造成柱端、柱底钢筋网呈灯笼状,或者箍筋直接拉断、柱子内部炸裂,外部混凝土酥碎;未考虑罕遇地震下结构的弹塑性变形,层间位移值偏大,柱的配筋量和轴压比等抗震构造措施不足,柱顶钢筋屈服形成塑性铰或者柱端配筋少,柱子破坏先于梁端,形成强梁弱柱。
5.2、施工方面[6]箍筋或纵筋直径私自改小;箍筋间距疏密不均;混凝土强度等级不足,抵抗力不足,轴压比没达到要求;因外保护层厚度过高,柱的抗压区高度及抗弯承载能力减小;节点处柱箍筋接头不到位,在大荷载作用下,箍筋压屈破坏脱落;节点处混凝土质量较差,不能与钢筋形成较好的握裹力,使节点极易破坏;梁柱节点由于纵筋配置过多、直径过大,箍筋加密,浇灌混凝土时,没有按正常施工顺序,造成中部没有振捣密实,有影响承载力的的空洞等缺陷。
6、结 语
(1)角柱所处建筑地位特殊,为建筑物横纵双向提供刚度支持,承受双向地震作用,按双向偏压构件计算,要考虑扭转效应,因为一旦受损,整个建筑物都处于危险之中。规范就对角柱增加各种严格的限制条款。其表观破坏特征也较中柱、边柱严重,其受力破坏形式一般都为脆性破坏,如小偏压破坏,粘结破坏,各种剪切破坏。
(2)中柱由于所处建筑物中部,由于与柱连接的梁对称规则,所以柱的受力也相对简单,破坏状态多表现为混凝土柱中部压碎破坏,这正是轴心受压、大偏心受压破坏等延性破坏类型。所以加固时多按轴心受压构件进行。
(3)边柱在建筑物外围,受力情况较中柱复杂,且数量众多,破坏的时候也都出现类似角柱的脆性破坏类型,如小偏压破坏,粘结破坏等。
(4)在制定加固方案时,若有两种加固方案:增大截面法和外包型钢法[7]可供选择,那么针对边柱和角柱,因其受震破坏形式较严重,可选用加固后抗震性能较优良的外包型钢法;而对于中柱,增大截面法更适合其破坏特征和原因。
参考文献
[1]中国住房与城乡建设部、中国质量监督检验检疫总局《.混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[2]中国住房与城乡建设部、中国质量监督检验检疫总局《.建筑抗震设计规范》(GB50010-2010)[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[3]马 颖.钢筋混凝土柱地震破坏方式及性能研究[D].大连理工大学,2012.
[4]金仁和,刘细林.地震作用下钢筋混凝土柱破坏形式及机理分析[J].茂名学院学报,2008(06):69~73.
[5]陈肇元.安全第一还是节约第一———必须大幅度提高建筑结构设计的安全度[J].中国改革,1999(03):20~22.
[6]韩丽霞,金德保,莫 庸.钢筋混凝土多层框架柱震害初步分析———汶川大地震都江堰灾区钢筋混凝土多层框架柱震害考察的思考[J].工程抗震与加固改造,2008(04):41~44.
[7]中国住房与城乡建设部、中国质量监督检验检疫总局《.混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2013)[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.
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