大截面混凝土懸臂柱抗側(cè)性能分析

馬智剛，田文靜，鐘琪，羋志杰，湯云飛，鄭虎山

（1.清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100084；2.曹操高陵管委會(huì)，河南 安陽 455000）

1 引言

根據(jù)建筑功能及文物保護(hù)要求，對(duì)安陽曹操高陵本體保護(hù)與展示工程進(jìn)行了分區(qū)設(shè)計(jì)。A 區(qū)為遺址博物館，B 區(qū)為遺址保護(hù)棚，C 區(qū)為能源中心，其中B 區(qū)是本工程的重點(diǎn)部分，采用周邊混凝土柱（2 m×2 m）+119 m 大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)體系。鋼屋蓋為四坡頂形式，為雙向正交正放H 形鋼桁架，長(zhǎng)為160 m，寬為140 m，通過周邊30 根混凝土柱進(jìn)行支撐，建成效果如圖1 所示。

圖1 項(xiàng)目實(shí)景圖

主體結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力完全靠混凝土柱實(shí)現(xiàn)，混凝土柱截面2 m×2 m，高度11 m?；炷翍冶壑欠駶M足結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力需著重關(guān)注，對(duì)影響混凝土懸臂柱側(cè)向性能的各因素進(jìn)行分析具有重要意義。

本文研究大截面混凝土柱的抗側(cè)性能，分析混凝土強(qiáng)度等級(jí)、截面尺寸、柱高、配筋率等參數(shù)對(duì)懸臂柱受力性能的影響，為類似大截面懸臂柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

2 彈性分析結(jié)果

2.1 計(jì)算模型

對(duì)大截面混凝土懸臂柱進(jìn)行建模分析，分析軟件采用Midas-Gen。懸臂柱采用完全彈性梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)分析時(shí)考慮梁?jiǎn)卧羟凶冃魏吐N曲自由度的影響[1]。

結(jié)構(gòu)加載方式為在懸臂柱柱頂施加水平集中荷載，鋼屋蓋在恒荷載+活荷載下的水平推力為130 kN，在地震荷載下水平推力為1 200 kN，在升降溫度影響下的水平推力為1 300 kN。分析懸臂柱時(shí)，在柱頂施加1 300 kN 水平荷載，懸臂柱柱底完全固接，結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 計(jì)算模型

在懸臂柱高度不變的情況下，通過截面尺寸的變化和混凝土強(qiáng)度等級(jí)的變化考慮其對(duì)懸臂柱抗側(cè)性能的影響。在懸臂柱高度、外形尺寸不變的情況下，通過配筋率的變化考慮其對(duì)懸臂柱抗側(cè)性能的影響。在截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、配筋率不變的情況下，通過柱子高度的改變考慮其對(duì)混凝土懸臂柱抗側(cè)性能的影響。

2.2 截面外形尺寸對(duì)懸臂柱抗側(cè)性能的影響

假設(shè)懸臂柱高度為11 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，柱頂水平荷載為1 300 kN，截面外形尺寸按500 mm×500 mm、800 mm×800 mm、1 000 mm×1 000 mm、1 500 mm×1 500 mm、2 000 mm×2 000 mm、3 000 mm×3 000 mm 變化，懸臂柱柱頂水平變形與截面尺寸變化關(guān)系曲線如圖3 所示。

從圖3 看出，懸臂柱水平變形與截面外形尺寸成指數(shù)變化關(guān)系，截面尺寸變大，懸臂柱水平變形按指數(shù)級(jí)減小。因此，增加截面外形尺寸能較快地提高懸臂柱的抗側(cè)能力。

圖3 柱頂水平變形與懸臂柱截面尺寸變化曲線

2.3 混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)懸臂柱抗側(cè)性能的影響

假設(shè)混凝土懸臂柱高度為11 m，截面外形尺寸為2 000 mm×2 000 mm，柱頂水平荷載為1 300 kN，混凝土強(qiáng)度等級(jí)按C25、C30、C35、C40、C50、C60、C70、C80 變化，懸臂柱柱頂水平變形與混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化關(guān)系曲線如圖4 所示。

從圖4 看出，懸臂柱抗側(cè)能力隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)增加逐漸增加，當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)加大時(shí)，懸臂柱柱頂水平變形相應(yīng)減小，加大混凝土強(qiáng)度等級(jí)可以提高懸臂柱的抗側(cè)能力。

圖4 柱頂水平變形與混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化曲線

2.4 配筋率對(duì)懸臂柱抗側(cè)性能的影響

假設(shè)混凝土懸臂柱高度為11 m，截面外形尺寸為2 000 mm×2 000 mm，柱頂水平荷載為1 300 kN，懸臂柱配筋率按1%、2%、3%、4%、5%變化，在Midas 軟件中通過“矩形混凝土-鋼箱型-實(shí)心”自定義截面功能實(shí)現(xiàn)不同的截面配筋率，近似分析配筋率對(duì)懸臂柱抗側(cè)剛度的影響，混凝土保護(hù)層厚度取30 mm，鋼筋性能為HRB400。懸臂柱柱頂水平變形與配筋率變化關(guān)系曲線如圖5 所示。

圖5 柱頂水平變形與懸臂柱配筋率變化曲線

從圖5 看出，當(dāng)懸臂柱配筋率增加時(shí)，其抗側(cè)能力線性增加，懸臂柱柱頂水平變形線性減小，總體而言，懸臂柱配筋率對(duì)抗側(cè)能力的影響不是太大，在滿足懸臂柱抗裂和基本受力要求的配筋情況下，增大配筋率對(duì)懸臂柱抗側(cè)能力的提高非常有限，通過提高配筋率來增加懸臂柱抗側(cè)能力既不經(jīng)濟(jì)也不必要。

2.5 柱高對(duì)懸臂柱抗側(cè)性能的影響

假設(shè)混凝土懸臂柱截面外形尺寸為2 000 mm×2 000 mm，柱頂水平荷載為1 300 kN，懸臂柱配筋率按2%，混凝土保護(hù)層厚度取30 mm，鋼筋性能為HRB400，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，柱高按5、10、15、20 m 變化，懸臂柱柱頂水平變形與柱高變化關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖6 柱頂水平變形與柱高變化曲線

從圖6 看出，懸臂柱水平變形與柱高成指數(shù)變化關(guān)系，柱高增加，懸臂柱水平變形按指數(shù)級(jí)迅速增大，懸臂柱側(cè)向剛度迅速減小。因此，為提高懸臂柱抗側(cè)能力，增強(qiáng)抗側(cè)剛度，在建筑允許的情況下，可以通過降低懸臂柱柱高來實(shí)現(xiàn)。

3 彈塑性分析結(jié)果

3.1 計(jì)算模型

假設(shè)混凝土懸臂柱截面外形尺寸為2 000 mm×2 000 mm，柱頂水平荷載為1 300 kN，柱頂豎向荷載為2 000 kN（鋼屋蓋傳遞到柱頂?shù)暮爿d+活載），混凝土保護(hù)層厚度取30 mm，鋼筋性能為HRB400，柱高為11 m，以上述參數(shù)建立sausage 懸臂柱分析模型，分析懸臂柱在雙重非線性情況下的水平極限承載能力，此水平極限承載力與柱頂施加的水平荷載的比值定義為懸臂柱的安全系數(shù)。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，懸臂柱初始缺陷按一階彈性屈曲模態(tài)形式施加，缺陷幅值取柱高的1/150[2]。

3.2 配筋率對(duì)安全系數(shù)的影響

懸臂柱配筋率按1%、2%、3%、4%、5%變化，懸臂柱安全系數(shù)與配筋率關(guān)系曲線如圖7 所示。

圖7 懸臂柱安全系數(shù)與配筋率變化曲線

從圖7 看出，懸臂柱配筋率增加，其安全系數(shù)同步增加，加大配筋率，可以提高懸臂柱的安全性能。

3.3 混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)安全系數(shù)的影響

懸臂柱配筋率按1%，混凝土強(qiáng)度等級(jí)按C30、C40、C50、C60 變化，懸臂柱安全系數(shù)與混凝土強(qiáng)度等級(jí)關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 懸臂柱安全系數(shù)與混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化曲線

從圖8 看出，懸臂柱強(qiáng)度等級(jí)提高，其安全系數(shù)提高幅度較小，這是因?yàn)榛炷敛豢估?，在水平荷載作用下，懸臂柱底部很快出現(xiàn)裂縫，最終的破壞形態(tài)都是內(nèi)部鋼筋受拉達(dá)到屈服。

3.4 荷載-位移全過程曲線

本工程B 區(qū)遺址保護(hù)棚，采用周邊混凝土柱支撐大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)體系。鋼屋蓋為正交正放H 形鋼桁架，混凝土懸臂柱截面2 000 mm×2 000 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，懸臂柱柱高11 m，其柱子配筋率為1.5%，在柱頂水平荷載1 300 kN，柱頂豎向荷載2 000 kN 的作用下，其荷載-位移全過程曲線如圖9 所示。

從圖9 看出，B 區(qū)混凝土懸臂柱在豎向和水平荷載作用下的安全系數(shù)為5.0 以上，結(jié)構(gòu)承載能力有足夠儲(chǔ)備，可以滿足受力要求。

圖9 荷載-位移全過程曲線

4 結(jié)論

對(duì)影響混凝土懸臂柱抗側(cè)性能的各個(gè)因素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）增加懸臂柱截面尺寸、提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)、增加配筋率、降低柱子高度均能提高懸臂柱抗側(cè)能力。

2）加大配筋率能提高懸臂柱水平極限承載力，但提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)懸臂柱水平極限承載力的作用有限。

3）安陽曹操高陵B 區(qū)遺址展廳工程大截面懸臂柱安全系數(shù)在5 以上，有足夠的承載力儲(chǔ)備，滿足受力安全要求。