一些冶金結構短柱問題探討

朱帥帥

摘要：本文主要針對冶金建筑噴煤主廠房、框槽等類似建筑出現的短柱問題進行了探討，基于短柱的判定及出現的可能情況，結合筆者的多年實踐經驗，為類似工程提供參考。

關鍵詞：冶金廠房;短柱判定;短柱處理措施

一 短柱的判定：

冶金工業建筑高爐框槽、噴煤等框架（含倉）結構，因為荷載很大，導致框架柱子截面尺寸很大，在工藝層高確定的情況下，很容易形成短柱，尤其當工藝布置不合理——有錯層的存在，就更加容易形成短柱。關于短柱的判定，如下所述：

《建筑抗震設計規范》和《高層混凝土結構技術規程》都有規定：剪跨比λ=M/Vh≤2或Hn/h≤4為短柱，其中Hn為柱凈高與h為柱截面高度。

工程中，設計人員一般以Hn/h≤4為短柱來判定短柱，這是一個值得關注的問題。因為確定是不是短柱的本質是以剪跨比λ=M/Vh≤2來判別的，而柱凈高與截面高度之比Hn/h≤4僅是一種簡化判別，在此種條件下其剪跨比λ不一定小于2，亦即不一定是短柱。按Hn/h≤4來判定的是基于：①λ=M/Vh≤2;②考慮到框架柱反彎點大都靠近柱中點，取M=0.5VH，則λ=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2，由此即得Hn/h≤4。但是，對于高層建筑及一些工業建構筑物，梁、柱線剛度比較小，特別是底部幾層及層高變化較大時，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λ=M/Vh≤2來判定才更合理。

框架柱的反彎點不在柱中點時，柱子上、下端截面的彎矩值就不同。因此，對于柱上、下端截面的剪跨比大小不同時，即λt=Mt/Vh≠λb=Mb/Vh時，筆者建議采用最不利情況，即框架柱上、下端截面中剪跨比的較大值。理由如下：

1、框架柱的受力情況有如一根受有定值軸壓力的連續梁，柱高Hn相當于連續梁的剪跨a，已有的試驗研究結果表明對于剪跨a不變的連續梁，當截面采用對稱配筋時，剪切破壞總是發生在彎矩較大區段;

2、對于框架柱，臨界斜裂縫也總是發生在彎矩較大區段;

3、鋼筋砼構件的抗剪承載力是隨剪跨比λ增大而降低的。

故同等條件下，彎矩大側的截面抗剪承載力要比彎矩小側的小，若發生剪切破壞，就只能是在彎矩較大側。

設計中可先按Hn/h≤4法初步判定是否是短柱。在施工圖設計階段，可根據程序提供的剪跨比λ判別選項來判斷。現行的軟件如PKPM、YJK等都提供了相應的選項。

二 短柱形成的大致情況：

結構中的短柱根據本文中“一”所述，所謂“凈高”包括因嵌砌填充墻等情況形成的柱。在實際工程中，應特別注意：框架柱間砌筑不到頂的隔墻、窗間墻以及樓梯間休息平臺使框架柱變成短柱。還應注意計算的方向，柱子的截面高度應選取沿填充墻平面內的柱子截面尺寸。

短柱出現的幾種常見情況：

1、錯層形成的短柱：出現于樓層不同標高相連接的柱;

2、夾層所形成的短柱。出現于帶局部夾層處，含樓梯間休息平臺使框架柱變成短柱;

3、層高變化較大，在層高較小的樓層所形成的全層短柱：工業建筑尤其容易出現此種情況。

4、剛性填充墻所形成短柱。這是柱被剛性裝修所約束形成的短柱。雖然柱子本身較高，但在構造上仍應按短柱對待。

以上第4種情況中所謂的“剛性填充墻”：一般是指砌體填充墻且剛性連接。在2010版砌體結構設計規范中給出了砌體填充墻與結構構件的剛性及柔性連接方法。其余填充墻是剛性還是柔性，筆者建議主要看填充墻體材料自身的剛度及與對框架柱的約束程度。一般而言，各類建筑幕墻（按幕墻做法），如玻璃幕墻、石材幕墻、鋁板或鋼板幕墻、混凝土幕墻等均按柔性填充墻考慮。

三 短柱的對應措施

在地震作用下，短柱抗側剛度大，分擔的地震剪力增多，易發生脆性破壞，引起建筑物或構筑物的嚴重破壞甚至倒塌。結構設計時盡可能避免形成短柱，工業結構設計時，易采取如下措施：

1、從方案出發，采取如下措施：

（1）同工藝協商，使其調整平臺，避免形成錯層;

（2）同工藝協商，調整操作平臺標高，減少層高的劇烈變化。

（3）同建筑專業協商，確定合理填充墻方案，必要時可調整為柔性墻體。

對于工業建筑，在短柱無法避免時，應盡可能避開錯層導致的短柱，使之形成為整層短柱，這樣至少保證樓層剪力的均勻非配，而不至剪力集中被部分短柱吸收，對高烈度地區尤其應注意。

2、從具體結構出發，采取如下措施：

（1）合理布置剛性填充墻體，在形成短柱處采用柔性連接;

（2）短柱應采用復合箍筋、螺旋箍筋、X形配筋、外包鋼板箍等;

（3）其他合理并經試驗驗證的構造措施，如分割短柱等。

短柱設計時應主要注意的事項有：

1、增強截面的受剪承載力;

2、控制軸壓比;

3、受拉鋼筋較多時，容易發生沿受拉縱筋通裂破壞，應控制縱向配筋率，或加強箍筋配置;

4、增加箍筋的體積配箍率;柱的箍筋需全高加密;

5、應避免出現跨比小于1.5的柱。

參考文獻

[1]混凝土結構設計規范（2015版）（GB50010-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社，2015

[2]建筑抗震設計規范（2016版）（GB50011-2011）[S].北京：中國建筑工業出版社，2016

[3]高層混凝土結構技術規程（JGJ3-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社，2011

[4]王文棟. 混凝土結構構造手冊[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2016

（中冶華天南京工程技術有限公司?安徽?馬鞍山?243000）