Resumen: El diseño sísmico de edificaciones tiene claros requisitos de ductilidad para los componentes estructurales. La relación de compresión axial y la relación de luz de corte son los dos factores más importantes que afectan la ductilidad de los miembros, y también son un par de factores contradictorios.
Palabras clave: Columnas cortas sísmicas de gran altura
Cuando la altura del piso es constante, reducir la relación de compresión axial y mejorar la ductilidad conducirá a un aumento en la sección de la columna cuanto más pequeña sea. relación de compresión axial, cuanto mayor es la sección; sin embargo, el aumento en la sección transversal da como resultado una disminución en la relación de luz de corte y la ductilidad del miembro. Por lo tanto, en el diseño estructural de edificios de gran altura, especialmente edificios de gran altura, para cumplir con los requisitos límite de relación de compresión axial de la especificación [1], las secciones transversales de las columnas son a menudo relativamente grandes y cortas. A menudo se forman columnas o incluso columnas ultracortas en la parte inferior de la estructura. Además, inevitablemente aparecerán columnas cortas en el diseño, como estanterías de bibliotecas, almacenes de pisos inferiores, garajes subterráneos de edificios de gran altura, etc. , debido al uso intensivo, el piso es bajo. Es bien sabido que las columnas cortas tienen poca ductilidad, especialmente las columnas ultracortas que casi no tienen ductilidad. Cuando un edificio se somete a un terremoto de intensidad de fortificación local o de mayor intensidad, es probable que se produzcan daños por corte, lo que provocará daños estructurales o incluso el colapso. No puede cumplir con el estándar de diseño de "reparable en terremotos moderados pero no colapsado en terremotos grandes". . Para evitar fallas frágiles de columnas cortas en edificios de gran altura, el autor cree que primero se deben juzgar correctamente las columnas cortas y luego se deben tomar algunas medidas estructurales o métodos de tratamiento para mejorar la ductilidad y el rendimiento sísmico de las columnas cortas. .
1 Juicio correcto de columnas cortas
Tanto las especificaciones [1] como las especificaciones [2] estipulan que la relación entre la altura neta H de la columna y la altura de la sección transversal H H/ H ≤ 4 es una columna corta. Muchos ingenieros y técnicos en el campo de la ingeniería juzgan las columnas cortas en función de esto, lo cual es un tema digno de mención. Debido a que el parámetro para determinar si una columna es una columna corta es la relación de luz de corte λ de la columna, sólo la columna con la relación de luz de corte λ = m/VH ≤ 2 es una columna corta, y la columna con la relación de altura neta de la columna a la altura de la sección transversal H/H ≤ 4 no es Debe ser menor que 2, es decir, no es necesariamente una columna corta. La base principal para juzgar H/H ≤ 4 es: ① λ = m/VH ≤ 2) Considerando que la mayoría de los puntos de flexión de las columnas del marco están cerca del centro de la columna, si m = 0,5 VH, entonces λ = m/VH = 0,5 VH/VH = 0,5 h/h ≤ 2, por lo tanto H/h ≤ 4. Para edificios de gran altura, la rigidez lineal de vigas y columnas es relativamente pequeña, especialmente en la planta baja. Debido a la influencia del fondo empotrado de la columna, el momento de flexión restrictivo de la viga sobre la columna es relativamente pequeño.
Cuando el punto de inflexión de una columna pórtico no está en el centro de la columna, los momentos flectores de las secciones superior e inferior de la columna son diferentes, es decir, Mt≠Mb. Por lo tanto, la relación de luz de corte de las secciones superior e inferior de la columna del marco también es diferente, es decir, λ t = mt/VH ≠ λ b = MB/VH. En este momento, ¿qué relación de luz de corte de sección se debe utilizar para determinar si la columna del marco es una columna corta? El autor cree que se debe adoptar una relación de luz de corte mayor para las secciones superior e inferior de la columna del marco, es decir, λ = max (λ t, λb). La razón es la siguiente: la columna del marco está tensada como una viga continua que soporta una presión axial constante, y la altura de la columna Hn es equivalente a la relación de luz de corte A de la viga continua. Los resultados de investigaciones experimentales existentes muestran [10]: Para vigas continuas con una relación de luz de corte A constante, cuando las barras de acero longitudinales en las secciones superior e inferior son iguales, la falla por corte siempre ocurre en la sección con mayor momento flector para las columnas del marco; Las fisuras oblicuas críticas siempre se producen en secciones con momentos flectores mayores.
De hecho, dentro del rango de altura de columna Hn o relación de luz de corte A de viga continua, la relación de luz de corte máxima se produce en la sección con mayor momento flector. La capacidad de carga de corte de elementos de hormigón armado disminuye a medida que aumenta la relación de luz de corte λ. Por lo tanto, en las mismas condiciones, la capacidad de carga cortante de una sección con un momento flector mayor es menor que la de una sección con un momento flector menor. Bajo carga, si se produce una falla por corte, solo puede ocurrir en secciones con momentos de flexión mayores. La relación de luz de corte λ utilizada para determinar si una columna de pórtico es una columna corta debe, por supuesto, ser la relación de luz de corte λ de la sección donde puede ocurrir la falla por corte.
Generalmente, en la planta baja de un edificio de gran altura, el punto de inflexión de la columna del marco está en el lado superior, es decir, MB > mt. En este momento, se puede juzgar la columna corta. según la fórmula (1) o fórmula (2):
O HN/h ≤ 2/yn (2)
En la fórmula, según la relación geométrica, la relación de altura del punto de inflexión de la columna YN-N se puede obtener de la siguiente manera: YN = 1/( 1 ψ), donde ψ = mt/MB, 0≤ψ≤1;
La altura libre de la columna HN- N columna.
La fórmula (2) es universal. Cuando el punto de inflexión está en el centro de la columna, ψ = 1, yn = 0,5, la fórmula (2) se convierte en HN/H≤4 cuando el punto de inflexión está en la sección superior de la columna, ψ = 0, yn =; 1, la fórmula (2) se convierte en HN/h ≤ 2; si no hay un punto de flexión en la columna del marco, se debe usar la relación de luz de corte λ = m/VH ≤ 2 para juzgar la columna corta. ?
Cuando sea necesario determinar preliminarmente si una columna de marco es una columna corta, primero puede usar el método del valor D para determinar la relación de altura yn del punto de resistencia a la flexión de la columna y luego usar la fórmula (2 ) para determinar la columna corta. En la etapa de diseño del plano de construcción, se pueden hacer más juicios basándose en los resultados de la computadora.
2 Medidas para mejorar el comportamiento sísmico de columnas cortas
Cuando se juzga que la columna no es una columna corta basándose en la relación de luz de corte λ, se pueden tomar medidas estructurales de acuerdo a los requisitos sísmicos de las columnas del marco general, determine como Después de instalar las columnas cortas, se debe aumentar la capacidad de carga de las columnas cortas tanto como sea posible, se debe reducir el tamaño de la sección transversal de las columnas cortas y se deben tomar varias medidas efectivas; Se deben tomar medidas para mejorar la ductilidad y el comportamiento sísmico de las columnas cortas.
2.1 Utilizar estribos en espiral compuestos.
La capacidad de carga de corte de las columnas del marco de un edificio de gran altura debe cumplir con el límite de relación de corte-compresión y los requisitos de "corte fuerte y flexión débil", y la capacidad de carga de flexión de los extremos de la columna también debe cumplir los requisitos de "columnas fuertes y vigas débiles". Para columnas cortas, la falla por cortante se puede evitar siempre que se cumplan los requisitos de "cortante fuerte y flexión débil" y "columnas fuertes y vigas débiles". Por lo tanto, el propósito de mejorar el comportamiento sísmico de columnas cortas se puede lograr mediante el uso de estribos en espiral compuestos [4] para aumentar la capacidad de carga de corte de las columnas y mejorar la restricción sobre el concreto.
2.2 Utilice columnas divididas
Dado que la capacidad de carga por flexión de las columnas cortas es mucho mayor que la capacidad de carga por corte, a menudo fallan debido al daño por corte causado por los terremotos y no pueden ejercer completamente su resistencia. . Resistencia a la flexión. Por lo tanto, la resistencia a la flexión de columnas cortas se puede debilitar artificialmente de modo que la resistencia a la flexión corresponda o sea ligeramente menor que la resistencia al corte. De esta manera, bajo la acción de un sismo, las columnas alcanzarán primero la resistencia a la flexión, exhibiendo así un estado de falla dúctil.
Para debilitar artificialmente la resistencia a la flexión, la columna corta se puede dividir en dos o cuatro columnas divididas. Hay grietas verticales en la columna y cada pie de la columna dividida se refuerza por separado. Se pueden colocar unas claves de conexión entre las patas de la columna de separación para mejorar su rigidez inicial y el consumo energético posterior. En general, las claves de conexión se presentan en forma de juntas rectas, tabiques prefabricados, amortiguadores de fricción pretensados y claves de conexión de hormigón simple.
El análisis teórico y la investigación experimental sobre el rendimiento de trabajo de las columnas divididas muestran [3 ~ 4]: Aunque la capacidad de carga de corte de la columna permanece básicamente sin cambios y la capacidad de carga de flexión se reduce ligeramente, la capacidad de deformación de la columna Y la ductilidad mejora significativamente, el modo de falla cambia del tipo de corte al tipo de flexión, haciendo realidad la idea de que las columnas cortas se conviertan en "columnas largas", mejorando efectivamente las columnas cortas, especialmente la relación de tramo de corte λ ≤ 1,5. El método de columna dividida se ha aplicado en proyectos prácticos [5].
2.3 Utilizar columnas perfiladas de hormigón armado.
Las columnas de hormigón armado perfiladas se componen de hormigón armado moldeado y hormigón exterior. El marco de acero generalmente adopta secciones transversales en forma de I, cuadrada o cruzada hechas de placas de acero soldadas o directamente unidas.
En comparación con las estructuras de acero, el hormigón envuelto en columnas de hormigón armado puede evitar el pandeo local de los componentes de acero, aumentar la rigidez general de las columnas y mejorar significativamente el rendimiento de pandeo por torsión fuera del plano de los componentes de acero. y aprovechar al máximo la resistencia del acero. ¿El uso de estructuras perfiladas de acero y hormigón generalmente puede ahorrar más del 50% de acero que las estructuras de acero [6]? . Además, el hormigón exterior aumenta la durabilidad y la resistencia al fuego de la estructura. En comparación con las estructuras de hormigón armado, debido a la existencia de un esqueleto de acero, la capacidad de carga de las columnas mejora considerablemente, lo que reduce eficazmente el tamaño de la sección transversal de las columnas. Las alas y estribos de acero tienen un buen efecto de restricción sobre el hormigón, mejorando la resistencia del hormigón. Ductilidad del hormigón. Además, la buena plasticidad de la propia estructura de acero permite que la columna tenga buena ductilidad y capacidad de disipación de energía.
Debido a que las columnas de hormigón de acero perfiladas aprovechan al máximo las características del acero y el hormigón, y tienen las características de sección transversal pequeña, peso ligero, buena ductilidad e indicadores técnicos y económicos superiores, por lo tanto, Si las columnas de hormigón de acero perfiladas se utilizan en edificios de gran altura o de gran altura, la capa inferior de una estructura de hormigón armado de gran altura puede reducir en gran medida el tamaño de la sección transversal de la columna y mejorar significativamente el rendimiento sísmico de la estructura. .
2.4 Uso de columnas de hormigón con tubos de acero
El hormigón con tubos de acero es un material estructural compuesto formado mediante el relleno de hormigón en tubos de acero circulares de paredes delgadas. Es una forma especial de hormigón en forma de aro. Dado que el hormigón en el tubo de acero está restringido lateralmente por el tubo de acero, el hormigón está en un estado comprimido tridimensional, la resistencia a la compresión y la deformación por compresión última del hormigón mejoran enormemente y la ductilidad del hormigón, especialmente el hormigón de alta resistencia. , ha mejorado significativamente. Al mismo tiempo, la tubería de acero es a la vez una barra de acero longitudinal y un estribo transversal. La relación entre el diámetro de la tubería y el espesor de la pared de la tubería es al menos 90, lo que significa que la relación de refuerzo es al menos 4,6, lo que supera con creces la. Requisitos para columnas de hormigón armado en el código sísmico [2]. Límite mínimo de tasa de refuerzo. Debido a la excelente resistencia a la compresión y capacidad de deformación de los tubos de acero rellenos de hormigón, incluso en condiciones de alta relación de compresión axial, aún pueden formar una "bisagra de compresión" que desarrolla deformación plástica en la zona de compresión. siendo destruido primero No hay problema de pandeo e inestabilidad del ala de compresión como las columnas de acero. Por lo tanto, no es necesario limitar el valor límite de la relación de presión axial para garantizar la capacidad de rotación de la sección de control [8]. La normativa [9] estipula que la capacidad portante de columnas de una sola rama de tubos de acero rellenas de hormigón se puede calcular según la fórmula (3):
N≤φ1φeN0(3)
Entre ellos,;
θ = FAAA/FCAC se llama índice de férula, 0.3≤θ≤3;
El significado físico y el método de cálculo de φ1 y φe se especifican en [9] .
Se puede ver en la fórmula (3) que seleccionar hormigón de alta resistencia y un índice de férula adecuado θ puede mejorar en gran medida la capacidad de carga de la columna. La sección de la columna se reduce a más de la mitad en comparación con la ordinaria. columnas de hormigón armado, eliminando columnas cortas, tiene buen comportamiento sísmico.
3 Resumen
1? Si una columna corta es corta no debe juzgarse por H/H ≤ 4, sino por la relación de tramo de corte λ = m/VH ≤ 2. En términos generales, la ecuación (2) se puede utilizar para distinguir. Cuando sea necesario juzgar preliminarmente si se trata de una columna corta, se puede utilizar el método del valor D para determinar la relación de altura yn del punto de inflexión, y luego se puede utilizar la fórmula (2) del artículo para juzgar.
2. Cuando se juzga que la columna no es una columna corta según la relación de luz de corte λ, se pueden tomar medidas estructurales de acuerdo con los requisitos sísmicos de las columnas de marco generales si se trata de una columna corta; , la capacidad de carga de la columna corta debe aumentarse tanto como sea posible para reducir el tamaño de la sección transversal de las columnas cortas y se toman varias medidas efectivas para mejorar la ductilidad y el rendimiento sísmico de las columnas cortas. El uso de estribos en espiral compuestos y tecnología de columnas divididas puede mejorar eficazmente el rendimiento sísmico de columnas cortas; el uso de nuevas estructuras, como hormigón de acero moldeado y hormigón de tubos de acero, puede mejorar significativamente la capacidad de carga de las columnas y reducir el tamaño de la sección transversal; columnas, y evitar columnas cortas en la parte inferior de la estructura. Columnas, especialmente columnas ultracortas. Por lo tanto, en el diseño sísmico de edificios de gran altura, las nuevas estructuras y nuevas tecnologías mencionadas anteriormente deben adoptarse tanto como sea posible de acuerdo con las condiciones específicas del proyecto para evitar daños frágiles en columnas cortas.