高層建筑結(jié)構(gòu)承重柱設(shè)計(jì)選型問題的要點(diǎn)分析

朱慧玲

【摘要】 隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，高層與超高層建筑大量興建，承重柱選型問題日益受到關(guān)注.高層建筑結(jié)構(gòu)承重柱的截面尺寸通常由軸壓比限值選定，容易形成短柱，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)避免.基于改善短柱抗震性能的措施在工程中的應(yīng)用和試驗(yàn)研究成果，本文分析了不同類型承重柱的工作機(jī)理和受力性能，介紹了適用于高層建筑結(jié)構(gòu)體系的承重柱型式，提出了與其相適應(yīng)的軸壓比限值和建議.

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)；承重柱；分析；對(duì)策

1、高層建筑結(jié)構(gòu)承重柱的種類

一、鋼與混凝土結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性充分發(fā)揮了他的優(yōu)勢，它的主要類型如下：（1）箍筋約束混凝土柱。根據(jù)配筋構(gòu)造形式的不同，可分為普通箍、井字箍、井字復(fù)合箍、復(fù)合螺旋箍、連續(xù)復(fù)合矩形箍柱。箍筋約束混凝土柱的受力機(jī)理是利用復(fù)合鋼箍或螺旋鋼箍約束核心混凝土受壓時(shí)的橫向應(yīng)變，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而提高混凝土強(qiáng)度，增加延性。這種類型柱在設(shè)計(jì)使用時(shí)，柱截面需做成圓形，適用性和靈活性差；采用焊接鋼箍時(shí)，焊接麻煩，用鋼量大，同時(shí)，鋼箍約束核心混凝土橫向應(yīng)變有限，柱承載力提高和延性能的改進(jìn)也是有限的。（2）鋼纖維混凝土柱。鋼纖維混凝土是一種由水泥、粗細(xì)集料和隨機(jī)分布的短纖維組合而成的復(fù)合材料。由于鋼纖維阻滯基體混凝土裂縫的擴(kuò)展，使其各項(xiàng)物理力學(xué)性能都比普通混凝土有明顯的提高和改善。試驗(yàn)研究表明，隨著鋼纖維含量提高，混凝土極限壓應(yīng)變明顯增大。在其他各項(xiàng)條件基本相同的情況下，摻入適量鋼纖維能夠明顯提高構(gòu)件的延性。（3）鋼管混凝土柱。根據(jù)裁面形式不同，可分為方鋼管混凝土柱、圓鋼管混凝土柱和多邊形鋼管混凝土柱。鋼管混凝土是將混凝土注入封閉的薄壁鋼管內(nèi)形成的一種組合結(jié)構(gòu)材料，它利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互制約，使其具備了優(yōu)異的工作性能：承載力高、塑性和韌性好、經(jīng)濟(jì)效果好。采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)替代鋼結(jié)構(gòu)柱，可節(jié)約鋼材50%左右；若替代鋼筋混凝土柱，則在用鋼量大體相同的情況下可減小柱截面面積50%左右。相應(yīng)節(jié)約大量混凝土。（4）鋼骨混凝土柱。該類型柱是指在鋼筋混凝土柱中配置鋼骨，同時(shí)配有構(gòu)造鋼筋及少量受力鋼筋。配置鋼骨的形式可分為實(shí)

腹式和空腹式。不同形式的鋼骨混凝土柱截面形式不同。鋼骨混凝土柱不受最大配筋率限制，混凝土中配置較多的鋼材，能有效地減少柱截面尺寸，滿足建筑功能要求。同時(shí)，鋼骨可以承擔(dān)施工荷載，可作為施工荷載的承力系統(tǒng)。（5）分體柱。該類型柱是將鋼筋混凝土短柱采用隔板將一個(gè)整截面柱分成2 個(gè)或4 個(gè)等截面小柱。各小柱獨(dú)立配筋，梁柱節(jié)點(diǎn)仍為一個(gè)整體。試驗(yàn)研究表明，對(duì)鋼筋混凝土短柱采用分體柱的方法可以實(shí)現(xiàn)變“短柱”為“長柱”的設(shè)想，框架柱破壞形態(tài)由剪切型轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢?，延性明顯提高，但柱承載力略有下降，因此柱截面尺寸不僅沒有減小，反而略有增大。（6）高強(qiáng)混凝土柱。高強(qiáng)混凝土是指混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50-C80 的混凝土。由于其抗壓強(qiáng)度高，使鋼筋混凝土柱的承載力大幅度增加，在相同的荷載下可減小構(gòu)件的截面尺寸，增大使用空間，避免短柱出現(xiàn)。應(yīng)用較高強(qiáng)度等級(jí)混凝土?xí)r，需考慮施工條件的可行性。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)承重柱的軸壓比限值

（1）柱中軸壓比是影響延性的主要因素之一，而影響混凝土柱延性的主要原因在于混凝土部分所分擔(dān)的軸壓力。確定一個(gè)合適的軸壓比限值，以使混凝土柱的抗震延性得到滿足，十分重要。同時(shí)軸壓比是影響承重柱的破壞形態(tài)和變形能力的重要因素?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）為了保證鋼筋混凝土柱具有足夠的延性，對(duì)柱的軸壓比限值做出了規(guī)定，希望框架發(fā)生大偏心受壓破壞，保證框架柱在地震作用下發(fā)生大變形時(shí)具有較好的延性，從而保證框架結(jié)構(gòu)有足夠的變形能力。實(shí)現(xiàn)框架大震不倒的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。表1 是建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)鋼筋混凝土柱軸壓比的限值。

表1 鋼筋混凝土柱軸壓比的限值

抗震等級(jí) 一級(jí) 二級(jí) 三級(jí)

框架柱 0.7 0.8 0.9

框支柱 0.6 0.7 0.8

對(duì)于箍筋約束混凝土柱，采用井字復(fù)合箍、復(fù)合螺旋箍、連續(xù)復(fù)合矩形箍鋼筋混凝土柱，軸壓比限值可增加0.10，但應(yīng)保證最低配箍率的要求。

（2）高強(qiáng)混凝土柱材料的性能A、在材料的性能上，高強(qiáng)混凝土延性比普通混凝土延性差，在外荷作用下容易發(fā)生脆性破壞，但通過適當(dāng)?shù)呐浣顦?gòu)造措施，用高強(qiáng)混凝土制作的構(gòu)件延性同樣可以滿足設(shè)計(jì)要求，因此，其軸壓比限值可不降低。B、鋼纖維混凝土柱的性能。與普通混凝土類似，存在大偏心受壓破壞和小偏心受壓破壞兩種破壞形態(tài)。當(dāng)鋼纖維摻入量在1%-2%范圍內(nèi)，鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度提高幅度較小。參照鋼筋混凝土框架柱軸壓比限值理論分析，鋼纖維混凝土柱軸壓比限值可略有提高。C、鋼管混凝土柱的性能?；阡摴芑炷翂簭潣?gòu)件的水平力和位移恢復(fù)力特性的理論分析結(jié)果，鋼管混凝土構(gòu)件用于高層建筑中時(shí)，可采取限制長細(xì)比的辦法，不必限定軸壓比。D、鋼骨混凝土柱的性能，相關(guān)研究根據(jù)鋼骨混凝土柱正截面承載力和低周期反復(fù)水平力作用下的靜力試驗(yàn)結(jié)果，從鋼骨混凝土柱界限破壞時(shí)內(nèi)力的平衡條件出發(fā)，推導(dǎo)出軸壓比的理論計(jì)算公式，經(jīng)簡化后提出了實(shí)用計(jì)算公式。計(jì)算表明，鋼骨混凝土柱的軸壓比限值

一般比鋼筋混凝土柱的軸壓比限值高25%-50%。E、分體柱的性能。由于“短柱”變?yōu)椤伴L柱”，實(shí)現(xiàn)了框架柱的破壞形態(tài)的轉(zhuǎn)變，因此，其軸壓比不應(yīng)受到限制。

3、改善短柱抗震性能的對(duì)策

改進(jìn)配筋構(gòu)造型式，加強(qiáng)核心混凝土有效約束，如配置螺旋箍筋、復(fù)式箍筋、斜向交叉配筋等。（1）提高構(gòu)件承載力，減小軸壓比，如鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土柱和高強(qiáng)混凝土柱等；（2）改進(jìn)材料性能，提高混凝土變形能力，如鋼纖維混凝土柱等；（3）采用分體柱，變短柱為長柱。

4、高層建筑結(jié)構(gòu)承重柱的造型與合理化建議

（1）在工程實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常選用的型鋼、鋼管、高強(qiáng)混凝土組合而成的復(fù)合柱、如型鋼高強(qiáng)混凝土柱、鋼管高強(qiáng)混凝土柱、雙層鋼管混凝土柱、充滿型型鋼混凝土柱等。

（2）承重柱選型時(shí)，應(yīng)視柱軸力大小，根據(jù)施工技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合確定。選用箍筋約束混凝土柱、鋼纖維混凝土柱和分體柱能有效地改善承重柱的抗震性能；選用高強(qiáng)混凝土柱、鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱是承重柱截面尺寸減肥的有效方法。

（3）不同類型的承重柱軸壓比限值選定不宜過高，也不宜過低。如果軸壓比限值過高，在高軸壓比情況下，在水平荷載施加之前，柱已產(chǎn)生較大的預(yù)壓應(yīng)變，預(yù)壓應(yīng)變降低截面的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，使構(gòu)件的延性變差。如果軸壓比限值過低，柱截面尺寸過大，可能柱變?yōu)槎讨炊档土藰?gòu)件的延性。因此，在滿足構(gòu)件有限延性的基礎(chǔ)上，選定合適的軸壓比限值，使構(gòu)件能獲得較大的水平抗力。

參考文獻(xiàn)：1、高層建筑結(jié)構(gòu)承重柱設(shè)計(jì)選型問題研究-羅文龍 - 《中國科技成果》，2006年 第7期

2、高層建筑結(jié)構(gòu)承重柱的設(shè)計(jì)選型-盧海林，吳君民，許成祥 - 《石油天然氣學(xué)報(bào)》，2003年S2期