浅谈钢筋混凝土短柱设计的问题_论文发表__墨水学术,论文发表,发

所属栏目：建筑设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:219

副标题#e#
　　浅谈钢筋混凝土短柱设计的问题
　　郭金慧虞佳
　　桂林市建筑设计研究院广西桂林541002
　　摘要：多高层建筑的迅猛发展,使得钢砼短柱问题越来越受到人们的关注。建筑抗震设计对结构构件有明确的延性要求。轴压比和剪跨比是影响构件延性的最主要的两个因素，也是一对互成矛盾的因素。短柱的延性很差，尤其是超短柱几乎没有延性，在建筑遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震影响时,很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌，无法满足“中震可修，大震不倒”的设计准则。为了避免短柱脆性破坏问题在高层建筑中发生，首先要正确判定短柱，然后对短柱采取一些构造措施或处理，提高短柱的延性和抗震性能。
　　关键词：框架柱短柱破坏形态措施
　　钢筋混凝土框架柱是多高层建筑结构中重要的承重构件之一,对地震效应极为敏感。国内外历次震害调查结果表明,不少框架柱尤其是框架短柱,震害较严重,它们在地震力作用下往往发生剪切或粘结破坏,这些破坏均属脆性破坏,由于其延性小,不能靠大变形和耗散地震能量来有效地抗震,在设计中是尽量避免采用的，但由于建筑的需要，如设置设备层或层高矮而柱截面大等原因，某些工程中短柱难以避免。那么要正确判定短柱，首先必对它的概念和破坏原因理解，然后才能对短柱为何采取这些构造措施或处理有深刻认识，从而在设计工作中提高短柱的延性和抗震性能。
　　一、框架柱的类型及短柱的判定
　　框架的柱端一般同时存在着弯距M和剪力V，根据柱的剪跨比（剪跨比是反映柱截面承受的弯距和剪力之比值的一个参数λ=M/Vh0）来确定柱为长柱、短柱和极短柱，h0为与弯距M平行方向柱截面有效高度。λ>2（当柱反弯点在柱高度H0中部时即H0/h0>4）称为长柱1.5<λ≤2称为短柱；λ≤1.5称为极短柱。工程界许多工程技术人员一般是根据柱净高H与截面高度h之比H/h≤4来判断短柱，，这是一个值得注意的问题。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ＝M/Vh≤2的柱才是短柱，而柱净高与截面高度之比H/h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于2，亦即不一定是短柱。按H/h≤4来判定的主要依据是：
　　①λ=M/Vh≤2；②考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点，取Ｍ＝0.5VH，则λ＝M/Vh＝0.5VH/Vh＝0.5H/h≤2，由此即得H/h≤4。但是，对于高层建筑，梁、柱线刚度比较小，特别是底部几层，由于受柱底嵌固的影响且梁对柱的约束弯矩较小，反弯点的高度会比柱高的一半高得多，甚至不出现反弯点，此时不宜按H/h≤4来判定短柱，而应按短柱的力学定义——剪跨比λ＝M/Vh≤2来判定才是正确的。框架柱的反弯点不在柱中点时，柱子上、下端截面的弯矩值大小就不一样，即Mt≠Mb。因此，框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一样的，即λt＝Mt/Vh≠λb＝Mb/Vh。此时，应采用哪一个截面的剪跨比来判断框架柱是不是属于短柱呢？笔者认为，应该采用框架柱上、下端截面中剪跨比的较大值，即取λ＝max（λt，λb）。一般情况下，在高层建筑的底部几层，框架柱的反弯点都偏上，即Mb＞Mt。在层高一定的情况下，为提高延性而降低轴压比则会导致柱截面增大，且轴压比越小截面越大；而截面增大导致剪跨比减小，又降低了构件的延性。因此，在高层特别是超高层建筑结构设计中，为满足规程对轴压比限值的要求，柱子的截面往往比较大，在结构底部常常形成短柱甚至超短柱。
　　二、框架柱的破坏形态
　　柱子的破坏主要有如下几种情况：
　　1、 压弯破坏：柱子在变号弯距和轴力作用下，混凝土压碎剥落，主筋压屈成灯笼状。柱子轴压比过大，或框架纵向设计时按连接梁考虑，柱子无抗弯钢筋等，会造成这种破坏。破坏的部分大多在梁底柱顶交接处。这是一种脆性破坏，且较难修复，在高烈度区（竖向地震作用较为明显）较常发生。
　　2、#p#副标题#e# 剪切破坏：柱子在地震剪力反复作用下出现斜裂缝或X行裂缝，裂缝宽度往往很大，修复很困难，属于脆性破坏。框架中有错层、夹层或半高填充墙时，使柱子剪跨比变小，形成短柱，刚度增大，吸收的地震剪力较大，当未采取相应的提高抗震能力措施时，便易出现剪切破坏，长柱箍筋不足时，也会造成剪切破坏。
　　3、 弯曲裂缝：由于变号弯矩作用，主筋不足，柱周围会产生水平裂缝。裂缝宽度一般较小，较易修复。
　　实验证明，当为长柱时，柱的破坏形态为压弯型，只要构造合理一般都能满足柱的斜截面受剪承载力大于其正截面偏心受压承载力的要求，并且有一定的变形能力。当为短柱时，柱将产生以剪切为主的破坏，当提高混凝土强度或配足够的箍筋时，也可以出现具有一定延性的剪压破获。当为极短柱时，柱的破坏形态为脆性的剪切破坏，抗震性能差，一般设计中应当尽量避免。主筋不足，箍筋过稀，或框架纵向设计时配有纵筋和箍筋的短柱受力分析和破坏形态如何？
　　短柱的受力分析和破坏形态：在轴心荷载作用下，整个截面的应变基本上是均匀分布的。当荷载较小时，混凝土和钢筋均处于弹性阶段，柱子压缩变形的增加与荷载的增加成正比，纵筋和混凝土的压应力的增加也与荷载的增加成正比。当荷载较大时，由于混凝土塑性变形的发展，压缩变形增加的速度快于荷载增长速度，纵筋配筋率越小，这个现象越为明显。同时，在相同荷载增量下，钢筋的压应力比混凝土的压应力增加得快。随着荷载的继续增加，柱中开始出现微细裂缝，在临近破坏荷载时，柱四周出现明显的纵向裂缝，箍筋间的纵筋发生压屈，向外凸出，混凝土被压碎，柱子即告破坏。在破坏时，一般是纵筋先达到屈服强度，此时可继续增加一些荷载。最后混凝土达到极限压应变值，构件破坏。当纵向钢筋的屈服强度较高时，可能会出现钢筋没有达到屈服强度而混凝土达到了极限压应变值的情况。
　　三、改善短柱抗震性能的措施
　　多高层建筑的框架结构、框架结构-剪力墙结构，外框架内核心筒结构等结构中，由于设置设备层，层高矮而柱截面大等原因，某些工程中短柱无法避免。如果同一楼层均为短柱，各柱之间抗侧刚度不是很悬殊，这种情况下按有关规定进行内力分析和截面设计构造，结构安全是可以保证的。应避免同一楼层出现少数短柱，因为这少数短柱的抗侧刚度远大于一般柱的抗侧刚度，在水平地震作用或风荷载作用下吸收较大水平剪力，尤其在框架（纯框架）结构中的少数短柱，一旦地震超设防烈度的情况下，可能使少数短柱遭受严重破坏，同楼层柱各个击破，这对结构安全将是极大危险。因此，当剪力墙或核心筒作为主要抗侧力结构的框架-剪力墙结构和外框架内核心筒结构中出现短柱，与纯框架结构中出现短柱应有所不同，重视的程度应有所区分。纯框架结构的楼梯间平台处当设置柱间梁时，常使支承该梁的柱形成短柱，为避免出现短柱可在平台支承的小柱，平台板外端不再设梁而楼梯跑板外伸悬挑板。
　　当按剪跨比λ判定柱子不是短柱时，按一般框架柱的抗震要求采取构造措施即可；确定为短柱后，就应当尽量提高短柱的承载力，减小短柱的截面尺寸，采取各种有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。
　　有抗震设计的框架短柱应按下列要求：1）必须验算柱的剪压比，其受剪截面应符合：
　　V-柱计算截面的剪力设计值；
　　fc-混凝土轴心受压强度设计值；
　　b-矩形截面的宽度；
　　h0-柱截面计算方向有效高度；
　　 -混凝土强度影响系数，当不大于C50时取1.0；C80时取0.8；在C50和C80之间时可按线性内插取用；
　　 -承载力抗震调整系数，取0.85。
　　2）柱的轴压比，当剪跨比λ不大于2但不小于1.5时，应比《高规》表6.4.2数值减小0.05；剪跨比λ小于1.5时应专门研究并采取特殊构造措施#p#副标题#e#，可采用型钢混凝土柱和芯柱。
　　3）抗震等级为一级和特一级时，其单侧纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于1.2%。
　　4）加密区范围箍筋的体积配箍率应按《高规》第6.4.7条1款规定；且宜采用符合螺旋箍或井字复合箍，其体积配箍率不应小于1.2%，设防烈度为9度时不应小于1.5%。
　　5）箍筋应沿柱全高加密，箍筋的直径不应小于10mm,肢距不大于200mm；间距不应大于100mm，一级时尚不应大于6倍的纵向钢筋直径。
　　6）短柱尚应满足《高规》中有关框架柱、框支柱的各项规定。
　　部分具体措施：
　　1）使用复合螺旋箍筋高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求的，柱端的抗弯承载力也是应该满足“强柱弱梁”要求的。对于短柱，只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求，是能够做到使其不发生剪切型破坏的。因此，使用复合螺旋箍筋来提高柱子的抗剪承载力，改善对砼的约束作用，能够达到改善短柱抗震性能的目的。
　　2）采用分体柱由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多，在地震作用下往往是因剪坏而失效，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度，这样，在地震作用柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。
　　3）采用钢管砼柱钢管砼是由砼填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍砼的一种特殊形式。由于钢管内的砼受到钢管的侧向约束，使得砼处于三向受压状态，从而使砼的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，砼特别是高强砼的延性得到显著改善。同时，钢管既是纵筋，又是横向箍筋，其管径与管壁厚度的比值至少都在90以下，这相当于配筋率至少都在4.6％以上，这远远超过抗震规范对钢筋砼柱所要求的最小配筋率限值。
　　四、总结
　　正确判定短柱是保证结构安全和提高经济效益的重要环节，采用适合的措施来提高结构的抗震性能也是需要思考的。所以在多高层建筑结构设计中应根据具体工程情况，尽量采用新结构、新技术，来避免短柱脆性破坏问题的发生。
　　参考文献：
　　【1】 GB50011-2001《建筑抗震设计规范》(2008年版)
　　【2】 JGJ3-2002，《高层建筑混凝土结构技术规程》
　　【3】 朱伯龙，张琨联．建筑结构抗震设计原理[M].上海：同济大学出版社，1994．
　　【4】 李国胜．多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例[M]．北京：中国建筑工业出版社，2006．