带壁柱墙高厚比验算方法研究

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在砌体结构建筑的设计建造中,墙、柱的高厚比验算是十分重要的验算。因为结构不仅要满足强度的要求,还要满足稳定性的要求。在我国现行的《砌体结构设计规范》(GB 50003-2011)中,并没有规定砌体结构在正常使用状态下的稳定要求,而是用规定高厚比限值的方式代替了它。因而砌体结构的稳定验算,实际上就是通过对其高厚比进行限制来实现的。这种方法虽然不是十分精确,但是在砌体结构设计和实际工程建设中的应用却是十分方便有效的。然而在实际工程设计中,笔者曾发现过一个奇特的工程算例。在算例中,同一带壁柱的墙体,当不开洞口时,高厚比的验算不符合规范的要求;而当在墙上开一个比较大的洞口时,高厚比反而却满足规范的要求。这显然是不合理的。无论如何当墙体开洞口以后,其临界承载力会受到洞口的不利影响而有一定程度的降低;若想让无洞口墙和有洞口墙的临界承载力相等,则只能降低有洞口墙体的高度。然而上述算例显然不符合这一出发点。因此说来,我国现行《砌体结构设计规范》(GB 50003-2011)中关于带壁柱墙体高厚比的验算规定是存在一定的不合理性的。本文将从稳定的基本公式—欧拉公式出发,分别分析带壁柱墙体开洞口和不开洞口时高厚比验算过程中的折算厚度和门窗洞口影响系数的计算和取值过程。通过一步一步的理论推导找到不合理性的根源所在以及合理的解决办法。最后,本文将对提出的新方法根据实际工程中的情况进行计算验证。(1)本文通过对计算公式的研究,找到了造成这种不合理性的根本原因。带壁柱墙体截面的折算厚度计算过程,经欧拉公式推导验证后发现:折算的过程,保持了截面临界应力的不变;但是截面的临界承载力却因为折算后的截面面积大于折算前的截面面积而发生了增大。而规范限制高厚比的目的,是为了限制截面的应力,同时也是为了限制截面的临界承载力。而折算厚度的过程显然与此目的相矛盾。(2)通过进一步的理论推导,并在考虑折算厚度过程对计算高厚比的影响基础上,本文找到了两者之间的关系。因此提出了新的公式和新的修正系数。系数命名为折算厚度影响系数,用符号μ3表示。(3)本文又从工程实际情况出发,研究了新的系数μ3的取值情况。发现μ3在很多时候接近于1,然而在本文算例的情况下,μ3=0.83,与1偏差较大,这时候忽略μ3就是不合理的,而这也是造成本文特殊算例的原因。通过理论推导和与实际工程状况的结合,本文认为,系数μ3在带壁柱墙体的高厚比验算时不可忽略。
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