鋼筋混凝土結構中短柱的成因及防治

劉嘉君

摘? ? 要：隨著建筑高度的增加，底層柱承擔的軸力也在增大。為了滿足規范對混凝土柱軸壓比的限值要求，柱截面過大易形成短柱甚至超短柱。從多次震害中可以看出，導致混凝土框架結構破壞倒塌的一個重要因素是短柱的破壞。地震作用下框架柱的破壞一般發生在柱上下端，且梁頂柱底較多。柱端常出現水平或斜裂縫，嚴重時柱端混凝土壓碎，鋼筋壓曲。短柱剪切破壞在地震中很普遍，為了滿足抗震要求，建筑需要有一定的延性。本文將探討鋼筋混凝士結構中短柱的成因及防治。

關鍵詞：鋼筋混凝土;結構;短柱;成因

1? 短柱的正確判定

軸壓比和剪跨比是影響柱子延性的最主要因素，也是一對相互矛盾的因素，為滿足規范對軸壓比限值的要求，框架柱的截面往往比較大，致使柱子剪跨比減小，在結構底部常常形成短柱甚至超短柱。柱凈高Hn與截面高度h之比Hn/h≤4為短柱，工程界許多工程技術人員也都據此來判定短柱，這是一個值得注意的問題。因為確定是不是短柱的參數是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ=M/Vh≤2的柱才是短柱，而柱凈高與截面高度之比Hn/h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于2，亦即不一定是短柱。按Hn/h≤4來判定的主要依據是：①λ=M/Vh≤2;②考慮到框架柱反彎點大都靠近柱中點，取M=0.5VHn，則λ=M/Vh =0.5 VHn/ Vh=0.5Hn/h≤2，由此即得Hn/h≤4但是對于高層建筑，梁、柱線剛度比較小，特別是底部幾層，由于受柱底嵌固的影響且梁對柱的約束彎矩較小，反彎點的高度會比柱高的一半高得多，甚至不出現反彎點，此時不宜按Hn/h≤4來判定短柱，而應按短柱的力學定義剪跨比≤2來判定才是正確的。1.5≤λ<2時為短柱，柱將產生以剪切為主的破壞，當提高商品混凝土強度或配有足夠的箍筋時，也可能出現具有一定延性的剪壓破壞。λ<1.5時為極短柱，柱的破壞形態為脆性剪切破壞，抗震性能差，一般設計中應盡量避免，若無法避免則應采取特殊措施以保證其斜截面承載力。

2? 鋼筋混凝土結構中短柱的成因

在實際工程中出短柱的原因可分為兩大類，一是工程設計中的問題，包括新建鋼混凝士房屋的抗震設計和原有鋼筋混凝土房屋的加固設計，二是施工中改變原設計等。

2.1? 抗震設計中出現短柱的情況

（1）在新建鋼筋混凝土框架結構的設計中，由于柱網布置不合理，使少量的框架柱承受的豎向苘載過大，為了控制柱的軸壓比在一定的范圍內而采取較大的柱截面，還有的因柱混疑土強度等級偏低導致柱的截面偏大等。另外，樓梯間位置由于梯梁對框架柱的絲束也會形成短柱。

（2）在原有鋼筋屁凝土框架房屋的抗震加固中，不適當地采用外包鋼筋混疑士柱截面，使柱的凈高與柱截面高度之比小于4而形成短柱。

2.2? 施工中短柱的或因

（1）施工中對混凝土框架中的非結構構件與主體結構構件的連接處理不當。如外縱墻墻體與框架柱的連接，在設計圖中為柔性連接，但在施工中采用了剛性連接;而且外縱墻又多為窗下裙墻，其剛連接使得框架柱在窗臺標高處形成了一個剛性支承而形短柱。由于設計形成的短柱，一般都按規范采取了沿柱全高箍筋加密;而施工不當所造成的短柱，則連沿柱全高箍筋加密都沒有做到，因此，這種因施工不當而形成的柱更為危險，其隱患更大。

（2）多跨廠房內部不恰當地用磚墻分割也是形成短柱的原因。有些多跨廠房在原設計中并沒有嵌砌于排架柱的內縱墻，在使用過程中有時出現2個車間共同使用一個多跨廠房等，有的廠房再用磚砌2.5m左右嵌砌于排架柱的墻，致使排架柱在縱向的嵌砌墻高以上范圍內形成短柱，在地震作用下，將加重廠房的破壞。

3? 鋼筋混凝土結構中短柱的防治

3.1? 如何避免短柱的出現及破壞

鋼筋混凝士框架中的短柱，其破壞狀態為脆性，其抗震性能比較差，在新建鋼筋混凝土房屋的抗震設計和現有鋼筋混凝土房屋的抗震加固中應盡量避免;在施工中應杜絕不符合設計思想而形成的短柱。如果同一樓層中均為短柱（如高層建筑的設備層），各柱之間抗側剛度不很懸殊，這種情況下按規范進行內力分析和截面設計構造，結構安全是可以保證的，所以應避免在同一樓層中出現少量短柱，對于不可避免的短柱，應采取構造措施提高其延性。

3.2? 改善鋼筋混凝土短柱抗震性能的措施

當短柱不可避免出現時，可考慮采用以下措施消除或改善短柱的抗震性能。

（1）采用高強性能混凝土。為減小框架柱的截面，提高剪跨比，最直接的方法就是提高混凝土的強度等級，即采用高強性能混凝土來增大框架柱的受壓承載力，降低軸壓比，減小柱截面。

（2）采用框架一剪力墻（核心筒）結構體系。框架一剪力墻（核心筒）結構中，由于剪力墻（核心筒）與框架的協同工作，改變了框架的剪力分布，且框架屬于第二道防線，大部分地震作用由剪力墻承受，框架承受的相對較少，因此框架柱發生剪切變形的可能性變小，只要剪力墻設置恰當，就能消除或部分消除短柱。

（3）選用井字復合箍、復合螺旋箍或連續復合螺旋箍。加強箍筋對框架柱的約束，可提高混凝土的抗壓強度，防止構件在大剪壓比情況下發生剪切破壞。根據《高層鋼筋混凝土結構技術規程》第6.4.2條備注第4點，當沿柱全高采用井字復合箍、復合螺旋箍或連續復合螺旋箍，同時滿足箍筋肢距不大于200mm、箍筋（螺旋）間距不大于100mm（連續復合螺旋箍時螺距不大于80mm）、直徑不小于12mm（連續復合螺旋箍時直徑不小于10mm），柱軸壓比限值可增加0.10。

（4）在柱截面中部設置矩形芯柱。試驗證明，在壓、彎、剪作用下，當框架柱出現彎、剪裂縫時，大多數情況下芯柱可以有效地減小框架柱的壓縮，保持框架柱的外形和截面承載力，因此芯柱可以提高短柱的變形能力，延緩倒塌。根據《高層鋼筋混凝土結構技術規程》第6.4.1條備注第5點，當柱截面中部設置由附加縱向鋼筋形成的芯柱，且附加縱向鋼筋的截面面積不小于柱截面面積的0.8%時，柱軸壓比限值可增加0.05。

（5）采用分體柱。由于短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多，在地震作用下往往是因剪切而失效，其抗彎強度不能完全發揮。因此，可人為地削弱短枉的抗彎強度，使抗彎強度相應于或略低于抗剪強度，采用分體柱就是這一目的。這樣，在地震作用下，柱子將首先達到抗彎強度，從而呈現出延性的破壞狀態。

（6）采用型鋼混凝土柱。型鋼混凝土柱是在型鋼外包普通鋼筋混凝土而形成的組合結構。型鋼通常采用扎制或由鋼板焊接拼制而成的工字形、口字形、十字形截面。由于型鋼混凝土柱充分發揮了鋼與混凝士兩種材料的特點，具有截面尺寸小、自重輕、延性好及經濟效率高等特點，如果在高層或超高層鋼筋混凝土結構下部的若干層采用型鋼混凝土柱，可大大減小柱的截面尺寸，顯著改善結構的抗震性能。

（7）采用鋼管混凝土柱。鋼管混凝土是將混凝土填入鋼管內而形成的組合結構，是套箍混凝土的一種特殊形式。常見的有圓鋼管混凝土和方鋼管混凝土，在軸心受壓荷載作用下，混凝土三向受壓，延緩了受壓時的縱向開裂，另一方面，混凝土的存在可以避免或延緩薄壁鋼管過早地發生局部屈曲。因此，通過兩種材料組合相互彌補了彼此的弱點，充分發揮彼此的長處，從而使鋼管混凝土具有很高的承載力，大大高于組成鋼管混凝土的鋼管和核心混凝土承載力之和，并且使混凝土的塑性和韌性性能大為改善。與傳統的鋼筋混凝土結構相比它具有承載力高、重量輕、塑性韌性好、耐疲勞、耐沖擊、施工方便及經濟效率高等諸多優點。

總之，為保證短柱結構的安全，在設計施工中應嚴格執行國家建筑抗震設計規范，采取切實可行的構造措施，防止短柱破壞。在施工中遇到用戶提出修改設計出現短柱問題時，應及時進行妥善處理有針對性地采取描施，保證結構安全。