談鋼筋混凝土框架柱的軸壓比限值.doc

談鋼筋混凝土框架柱的軸壓比限值1、前言軸壓比是柱子受軸力設(shè)計(jì)值與混凝土部分抗壓能力的比值 ,即N/fcbh。試驗(yàn)研究和工程震害的實(shí)踐表明 ,軸壓比對鋼筋混凝土框架柱的抗震性能影響很大,在鋼筋硅框架柱延性的眾多影響因素（縱向鋼筋的配筋率、配箍率,鋼材等級 ,柱子的截面形狀, 混凝土的強(qiáng)度等級 ,軸壓比及剪跨比）中,以軸壓比、配箍率和剪跨比的影響最為顯著。因此 ,現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2010 及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2002中,基于希望鋼筋混凝土框架柱出現(xiàn)以受拉鋼筋的屈服為先導(dǎo)的大偏心受壓破壞的理論和部分試驗(yàn)研究結(jié)果而定出的,如表1。通過限制軸壓比 ,保證柱有足夠的變形能力,使鋼筋混凝土框架柱在地震作用下發(fā)生大變形時(shí),相應(yīng)于靜力試驗(yàn)中低周反復(fù)荷載作用下剪力位移滯回曲線是不發(fā)散的,從而保證框架柱“壞而不倒” 。表1柱軸壓比限值抗震等級一二三四框架柱0.650.750.850.9隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和施工技術(shù)的不斷提高,高層,超高層建筑如雨后春筍般的出現(xiàn),由于層數(shù)的增加,使柱的軸向力加大 ,在設(shè)計(jì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)時(shí),經(jīng)常會(huì)遇到柱的軸壓比問題。按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件satwe進(jìn)行高層結(jié)構(gòu)抗震分析時(shí),經(jīng)常出現(xiàn)柱的斷面由軸壓比限值來確定,柱的配筋多為構(gòu)造配筋,這是不合理的。容易造成柱的截面很大,這不僅減少了使用空間,更重要的是使柱的剪跨比減少,剛度增大,地震反應(yīng)加大,容易引起柱的脆性破壞,對柱的抗震是非常不利的。因此,在鋼筋混凝土框架柱的抗震設(shè)計(jì)中,應(yīng)綜合考慮影響柱子延性的各項(xiàng)因素,不應(yīng)顧此失彼。2、影響框架柱延性的因素2.1框架柱的剪跨比=Hn/2h。試驗(yàn)結(jié)果表明剪跨比能大體反映出截面上彎曲正應(yīng)力和剪切應(yīng)力的比例關(guān)系,是決定框架柱延性破壞還是脆性破壞的主導(dǎo)因素,鋼筋混凝土框架柱剪跨比越大,延性越好。在一般配筋情況下,剪跨比大于2時(shí)框架柱在水平剪力下彎曲破壞,對抗震有利,剪跨比小于2時(shí),形成短柱,在水平剪力下剪切破壞,由于剪切破壞主要是斜截面上的彎剪主拉應(yīng)力引起的,受拉縱筋在破壞時(shí)有可能還沒有進(jìn)人屈服,壓區(qū)混凝土存在較大的復(fù)合剪應(yīng)力,加速混凝土的壓潰,使柱子呈脆性破壞,對抗震不利。因此,規(guī)范對剪跨比小于2的短柱軸壓比的限值比一般柱子的限值減少0.05。2.2箍筋的形式和含量提高柱體積配箍率來改善柱軸壓比要求軸壓比和配箍率及箍筋形式是影響框架柱延性的主要因素。隨著軸壓力的增大,構(gòu)件的延性在下降。隨著箍筋間距的減小,構(gòu)件的延性在增加。在地震反復(fù)作用下柱端鋼筋保護(hù)層往往首先碎落,這時(shí)如無足夠的箍筋約束,縱筋就會(huì)向外膨出,柱端破壞。箍筋的存在對柱核心砼起到有效的約束,限制了橫向變形,從而提高了砼的極限變形能力,起到了加強(qiáng)延性的作用。對抗震結(jié)構(gòu),良好的延性使結(jié)構(gòu)具有較大的塑性變形能力,同時(shí)又不喪失豎向承載力。在地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過彈塑性變形耗散能量,使結(jié)構(gòu)不倒塌 ,2.3框架柱的截面形狀框架柱的截面形狀,將直接影響柱截面界限破壞時(shí)鋼筋和混凝土內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變分布,還將嚴(yán)重影響混凝土受壓邊緣的極限壓應(yīng)變試驗(yàn)值。已有分析表明,圓形截面柱子軸壓比限值可達(dá)1.0以上。2.4混凝土強(qiáng)度等級采用高強(qiáng)混凝土可以在不加大截面的情況下提高軸壓比,但由于現(xiàn)行混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范主要是建立在普通混凝土受力性能基礎(chǔ)上的，而高強(qiáng)混凝土由于其低水灰比和多組分的特點(diǎn)，改善了骨料和水泥漿體之間的界面性能，增加離混凝土的密實(shí)程度，從而達(dá)到高強(qiáng)和耐久。從強(qiáng)度上看高強(qiáng)砼比通常使用的砼高出很多但由于這類砼在材料選擇和施工質(zhì)量控制上需有比較嚴(yán)格的要求,在材料的性能上呈現(xiàn)顯著的脆性,延性即變形能力降低了。因此高強(qiáng)砼柱必須有較高的配筋率,包括較高的最小主筋配筋率和最小箍筋率尤其在柱端的機(jī)密區(qū)必須有相當(dāng)數(shù)量的箍筋。2.5縱向鋼筋的配筋率增大縱向鋼筋配筋率對軸壓比是有利的,在一定程度上能提高框架柱截面的延性,但當(dāng)縱向配筋量達(dá)一定值時(shí),對變形能力的提高就很不明顯了,而且如果縱向鋼筋量過大,容易使柱子產(chǎn)生剪切破壞或粘結(jié)破壞,使延性變差。因此,抗震規(guī)范 中規(guī)定了框架柱的最小配筋率，即考慮了柱的延性。2.6外荷載的作用形式外荷載的作用形式不同,框架柱的破壞形式往往不同,考慮抗震時(shí),地震作用的大小和方向不同,對鋼筋混凝土框架柱的抗震性能影響是不容忽視的。2.7采用鋼骨砼柱,鋼骨可采用型鋼,也可由鋼板和型鋼通過焊接、鉚接或螺栓連接拼接而成。由砼包裹鋼骨形成的鋼骨砼結(jié)構(gòu)可充分利用兩種材料的強(qiáng)度。該結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相 比具有如下優(yōu)點(diǎn)：外包砼防止了鋼骨的局部屈曲,提高構(gòu)件的整體剛度使鋼材的強(qiáng)度得以充分利用節(jié)約鋼材。具有更大的剛度和阻壓,有利于控制結(jié)構(gòu)的變形。外包砼提高了結(jié)構(gòu)的耐火性和耐久性。與鋼筋砼結(jié)構(gòu)相比較,鋼骨砼結(jié)構(gòu)因配置了鋼骨使構(gòu)件承載力大為提高有利于減小構(gòu)件截面尺寸,同時(shí)具有較大的延性和良好的抗震性能。因此在高層建筑結(jié)構(gòu)底部數(shù)層采用鋼骨砼柱可減小柱截面尺寸,增加結(jié)構(gòu)承截力,提高結(jié)構(gòu)抗震性能。3、結(jié)論現(xiàn)行規(guī)范中的軸壓比限值的規(guī)定是不具體的,沒有全面考慮到影響柱子延性 的其他因素,如配箍率,柱截面形式, 混凝土的強(qiáng)度等級等,在絕大多數(shù)情況下可以說是偏于保守的。實(shí)際上,軸壓比限值不僅僅是一個(gè)數(shù)值,更應(yīng)該被理解為一個(gè)概念,反映鋼筋混凝土框架柱的延性。對于不同的配箍率,不同的剪跨比,不同截面形狀,在結(jié)構(gòu)中不同位置的柱子,均應(yīng)有相應(yīng)的軸壓比限值的規(guī)定,而目前這方面定量的研究還很缺乏,有待于大量的試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。大量的試件試驗(yàn)和研究表明 ,只要采取一定的措施,如增加配箍率,改進(jìn)截面形狀和配箍形式,采用小直徑的縱向鋼筋等,即使框架柱的軸壓比超過規(guī)范允許的限值,它的延性也是可以保證的。也就是說,現(xiàn)行規(guī)范中的軸壓比限值,在一定條件下可以適當(dāng)放寬。在鋼筋鹼框架剪力墻結(jié)構(gòu)中,由于水平剪力主要由剪力墻或筒體承擔(dān),框架柱近似為軸壓構(gòu)件,作為軸壓構(gòu)件,理論上是沒有軸壓比問題,只有穩(wěn)定問題。因此,規(guī)范中關(guān)于鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)中柱的軸壓比限值可以進(jìn)一步放寬。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,我們一般用以下的方法來滿足規(guī)范關(guān)于柱延性的規(guī)定(1)、減輕建筑物的恒載和活荷載。采用輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料及輕質(zhì)填充墻材料,是減輕結(jié)構(gòu)自重,降