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现行建筑设计规范大全:耦合梁型

发布日期:2019-01-19|变形缝生产厂家小编
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  实用钢筋混凝土建筑设计

  现行建筑设计规范大全钢筋混凝土(RC)剪力墙通常是钢筋混凝土建筑的主要抗侧力体系,屋面变形缝相邻的剪力墙墩通常在楼面与门或走廊上方的耦合梁相连。耦合梁减小了剪力墙墩的受弯矩,为整个建筑物的高度提供了耗能机制,提高了剪力墙体系的效率。

  作为钢筋混凝土结构中最关键的构件之一,在循环荷载作用下,耦合梁应表现出良好的耗能能力,其刚度和强度退化幅度较小。良好的延性滞回性能通常是通过提供复杂的细节来实现的,这就导致了施工的困难。通过改变钢筋布置方案和探索不同的材料,在寻找延性滞回性能与施工实用性之间寻求平衡时,考虑了各种类型的耦合梁。

  目前,建筑规范和设计行业采用了五种常用的耦合梁:

  常规钢筋混凝土耦合梁

  对角钢筋混凝土连梁

  钢耦合梁

  外包钢组合梁

  埋入钢板组合梁

  常规钢筋混凝土耦合梁

  传统钢筋混凝土耦合梁是指用水平钢筋和紧密间隔的箍筋加固的耦合梁.常规钢筋混凝土耦合梁的设计和详细要求与钢筋混凝土特殊弯矩框架构件相同,并在建筑规范中有很好的规定,如ACI 318(图1)传统的钢筋混凝土耦合梁由于其结构简单、施工方便等优点,是建筑设计中应用最广泛的耦合梁形式。在低地震危险区,普通钢筋混凝土耦合梁的尺寸有时比楼板结构中的连接剪力墙墩还要宽。

  

现行建筑设计规范大全

 

  图1.典型的传统混凝土耦合梁。

  然而,传统的钢筋混凝土耦合梁在高循环剪应力和滞回响应中存在明显的钉扎现象,不能保持良好的耗能能力。这种耦合梁的斜剪破坏和滑动剪切破坏是不可避免的,即使有紧密的横向加固细节。研究表明,普通钢筋混凝土耦合梁只有在名义总截面剪应力小于3√时才能表现出满意的性能。F‘c (PSI)以及当梁的性能受挠度控制时,尽管名义上的最大允许剪应力极限为10√。F‘c (PSI)在ACI 318。

  斜向钢筋混凝土连梁

  20世纪60年代,提出了混凝土连梁的斜截面钢筋布置方案,有效地阻止了耦合剪力墙墩面板上的耦合梁滑动剪切破坏。图2)迄今为止,对角钢筋混凝土耦合梁被认为是最有效的加固细节类型,尤其是当跨度/深度比小于2时,才能提供优良的耗能性能。关于对角线增强耦合梁的既定设计规定和细节,见ACI 318-14第18.10.7节。建筑规范对结构混凝土的要求.

  

屋面变形缝

 

  图2.典型的全约束对角线钢筋混凝土耦合梁。

  在对角线钢筋混凝土耦合梁的设计中,剪力仅由对角线钢筋抵抗,弯矩由对角“桁架”构件自动提供。标称最大允许梁剪切应力极限,10√F‘c (PSI),以保证耦合梁的延性和变形性。

  虽然斜配筋耦合梁具有优良的刚度和高延性耗能能力,但仍存在一些施工性问题,限制了其应用:

  对角钢筋混凝土耦合梁的实际宽度至少为14英寸(16英寸或更好),以适应所有符合最低规范允许间距要求的钢筋。

  现场安装对角线钢筋是困难的,劳动强度大.

  当跨深比大于2时,斜交钢筋倾斜角变小时,斜配筋的效果明显降低,而高层建筑中的大多数实际耦合梁尺寸均在此范围内。

  钢-钢复合组合梁

  钢耦合梁和外包钢组合梁是可行的替代方案,以避免对角钢筋混凝土耦合梁固有的施工困难。现行建筑设计规范大全这两种连接梁类型的钢构件都是隐式宽翼缘钢构件,尽管钢管也在早期研究中使用。图3)大量试验表明,钢耦合梁和外包钢组合梁均具有良好的延性和耗能能力,与对角钢筋混凝土耦合梁的延性和耗能能力相当。Ansi/AISC 341-16,钢结构建筑抗震规定,屋面变形缝在复合剪力墙系统中采用两种形式的耦合梁,并对其进行了详细的设计和规定。

  

Figure 3. Typical encased steel composite coupling beam.

 

  图3.典型外包钢组合梁。

  对于这两种耦合梁,均假定剪力和弯矩都是钢构件完全抵抗的。由于缺乏数据,目前忽略了具体封存的好处。混凝土外壳提供了较高的梁刚度,并作为防火层的封装钢梁。

  与钢筋混凝土连接梁不同,规范规定的混凝土梁的最大允许剪应力极限(例如10√)。F‘c (PSI)在ACI 318中)可用于包覆钢组合梁。虽然未对钢构件与钢筋混凝土围护结构的相互作用进行研究,但仍需保持钢梁与耦合梁之间的实际尺寸范围,以保证钢-混凝土组合梁的合理组合作用。类似地,对于混凝土围护开裂控制而言,钢组合梁的最大允许名义剪应力极限是可取的,而文献中还没有这方面的数值。

  钢连接梁和钢组合梁的设计中最重要的一项是钢构件的嵌入。这两种耦合梁的嵌入长度设计通常基于刚性Mattock-Gaafar嵌入模型,满足预期的耦合梁-剪力墙连接抗剪强度(Eq)。H4.1和H5.1,载于监委会341-16)。对于延性性能和良好的耗能能力来说,合理地布置耦合梁的清晰跨度和嵌入区域也是非常重要的。

  与对角钢筋混凝土耦合梁相比,钢/外包钢组合梁的施工更加可行,施工进度的干扰可忽略不计,只要承包商熟悉施工过程。而宽翼缘钢构件往往会干扰剪力墙耦合墩的竖向和约束配筋,特别是在特殊剪力墙体系的边界单元区。为了适应剪力墙钢筋的详细要求和钢梁嵌入,必须使用更宽或杠铃形墙墩和特殊的细节。考虑到减小翼缘宽度会增加钢梁的埋设长度,并可能导致钢梁组合梁保护区出现缺陷,故不宜采用钢梁翼缘处理方法。此外,嵌入钢成员复杂的任何袖子可能横向通过耦合梁,往往需要洒水。

  埋入钢板组合梁

  为了缓解钢构件与剪力墙加固之间的矛盾,设计人员可以考虑采用嵌入钢板组合梁。如图所示图4在典型的埋入式钢板组合梁中,头钉焊接在钢板的两个垂直面上,对剪力墙竖向钢筋的扰动较小,但水平/约束钢筋仍需进行特殊的详细设计。为了在混凝土部分和钢板之间提供适当的锚固力和传递力,头钉是必要的。研究表明,钢板的存在能有效地阻碍混凝土连接梁的斜裂缝发展,防止混凝土耦合梁的脆性破坏,而嵌入钢板组合耦合梁的延性和变形性能明显优于普通钢筋混凝土耦合梁。

  

Figure 4. Typical embedded steel plate composite coupling beam.

 

  图4.典型嵌入式钢板组合梁。

  与外包钢组合梁类似,合理的钢板埋设设计是保证该类耦合梁延性良好的关键。刚性Mattock-Gaafar嵌入模型可以通过假定钢板和头柱的均匀承载应力来确定嵌入钢板的嵌入长度。

  在这种组合梁的承载力设计中,需要同时考虑混凝土和钢板的贡献。钢板用于补充钢筋混凝土截面的承载力。考虑到钢筋混凝土部分和钢板由于相互作用而产生的不同应变分布,SU&Lam(2009)提出了这种耦合梁的统一设计方法。设计原则为:(A)钢板厚度与组合梁深度之比应控制在0.8~0.95之间,(B)实际跨深比范围为1.0~4.0,(C)必须设置最小剪力配筋;(D)最小埋设长度取决于耦合梁的跨深比,可变化范围为梁净跨的0.35~0.7倍;(E)组合耦合梁的最大名义剪应力上限为1.5√。f铜兆帕(18√)F‘c,钢板的抗剪力应小于0.45。Vu,这限制了这种耦合梁的使用。

  梁刚度减小

  在现有的基于强度的设计框架下,建筑物的分析和设计主要是基于线弹性结构模型进行的。考虑梁开裂、钢筋滑移和钢构件固定点位置的影响,在弹性建筑模型中,根据耦合梁的类型,提出了减小耦合梁刚度的建议:

  传统钢筋混凝土耦合梁和对角钢筋混凝土耦合梁-ACI 318规定了0.35梁刚度折减系数的极限设计,这是一个公认的设计行业实践。

  钢连接梁-极限设计的弹性有效抗弯刚度降低到原值的60%,这是由于钢梁有效固定点(鞍钢341-16):

  (艾尔)EFF = 0.6EsI钢

  提出了钢-钢组合梁-弹性有效抗弯刚度的极限设计(Motter Et).(Al,2017年):

  (艾尔)EFF = 0.06 • ln/h·EsI反式

  其中ln/h是梁的跨深比I反式是外包钢组合耦合梁的转动惯量。但是,当跨深比较小时,该公式会导致刚度值偏小.遵循行业惯例,0.35EcIg可作为此类耦合梁在建筑物分析中的下界。

  迄今为止,还没有明确提出嵌入钢板耦合梁有效抗弯刚度的计算公式。试验表明,嵌入钢板耦合梁与普通钢筋混凝土耦合梁刚度差异不显著(SU&LAM,2009),因此0.35。EcIg是一种合理的降低刚度值的嵌入式钢板组合梁的极限设计。

  对于钢耦合梁和外包钢组合梁,由于钢构件尺寸在设计前都是未知的,因此需要通过迭代来调整其有效抗弯刚度。

  梁剪力垂直分布

  在高层建筑设计中,工程师经常将控制梁的设计结果应用于多层楼,避免在逐层基础上进行微小的改动,即根据梁设计剪力随建筑物高度的变化而对多个相邻楼层进行“分组”梁设计加固。设计者也可以证明将过应力梁重新分配到上下的低应力梁是合理的,以缓解钢筋的拥堵。这种做法相当于在分析中对耦合梁采用较小的有效刚度,其允许与否取决于耦合梁的延性和变形能力。

  对于传统的钢筋混凝土耦合梁,在高循环剪应力作用下,其变形能力和延性较差,因此不推荐剪力垂直重分布。其他四种耦合梁的延性和变形性较好,但在设计耦合梁的过程中,可以合理地应用耦合梁刚度或剪力垂直分布的下限,以缓解钢筋拥堵。对于钢耦合梁和外包钢组合梁,鞍钢341-16明确允许剪力垂直分布高达20%。

  摘要

  

Table summary of the five types of coupling beams in RC buildings.

 

  表总结了钢筋混凝土建筑中的五种耦合梁。

  行业采用的五种耦合梁各有其优点和局限性,如桌子。然而,在建筑设计中,没有一种形式的耦合梁适用于所有的情况。当梁的剪应力较低、受弯控制时,传统的钢筋混凝土耦合梁往往是最可行、最经济的耦合梁。当耦合梁的跨深比较小且期望有较高的剪应力时,应考虑其它四种形式的耦合梁。在为具体工程选择合适的耦合梁类型时,应牢记这些类型的耦合梁的局限性和相关的锚固要求。一如既往,屋面变形缝现行建筑设计规范大全设计师应尽可能考虑施工团队的喜好,因为许多承包商对每种方法都有不同的意见。

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