孫 飛

0 引言

鋼筋混凝土柱是框架結(jié)構(gòu)中主要的受力構(gòu)件,在抗震規(guī)范中,對框架柱的設(shè)計(jì)提出了很多的要求。首先,要想提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能,必須確保結(jié)構(gòu)有足夠的延性,構(gòu)件延性好的框架結(jié)構(gòu)能吸收較多的地震能量,抗震性能就好。所謂延性好,是指受彎構(gòu)件在受拉鋼筋屈服之前不產(chǎn)生混凝土受剪或受壓的脆性破壞,受壓構(gòu)件不產(chǎn)生受剪的脆性破壞。因此,在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則,使塑性鉸出現(xiàn)在梁端,以增強(qiáng)構(gòu)件的延性。

1 鋼筋混凝土柱延性的影響因素

1)柱的截面形狀?？蚣苤慕孛嫘螤?將直接影響框架柱截面界限破壞時(shí)鋼筋和混凝土內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變的分布,還將嚴(yán)重影響混凝土受壓邊緣的極限壓應(yīng)變,為了保證框架柱有足夠的延性,框架柱的截面尺寸必須在兩個(gè)主軸方向的剛度相差不宜太大,矩形柱截面長寬比不宜超過1∶1.5,柱的凈高與截面高度h之比不宜小于4。

2)混凝土強(qiáng)度等級。提高混凝土強(qiáng)度可以在不加大截面的情況下提高軸壓比,但是如果采用高強(qiáng)度混凝土,由于目前有些建筑施工單位的施工水平受限,實(shí)際上很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。另一方面,隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高,混凝土的極限壓應(yīng)變變小,變形能力變差,對柱子的延性將產(chǎn)生極為不利的影響。

3)軸壓比。軸壓比指框架柱組合的軸壓力設(shè)計(jì)值與柱的全截面面積和混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比值。通過限制框架柱軸壓比,保證框架柱有足夠的變形能力,使鋼筋混凝土框架柱在地震作用下不致發(fā)生脆性破壞,繼而保證框架柱“壞而不倒”。

4)柱的剪跨比。從以往的有關(guān)資料中得知,剪跨比(λ=Hn/2h0)能大體反映出截面上彎曲正應(yīng)力和剪應(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。

5)縱向鋼筋的配筋率。從實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可以得知,增大縱向鋼筋配筋率對框架柱本身是有利的,在一定程度上能提高框架柱截面的延性。但是,當(dāng)縱向配筋量達(dá)一定值時(shí),對框架柱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。

6)箍筋的形式和配箍率。由于箍筋能改善混凝土的受力性能,特別是能有效提高混凝土受壓區(qū)邊緣的最大應(yīng)變,因此,當(dāng)箍筋含量特征值(λk=(ρsvfyv)/fc)越高,柱子的延性提高越大。箍筋的形式一般有普通鋼箍、螺旋鋼箍和復(fù)合式鋼箍,從受力效果和施工方便程度來考慮,以復(fù)合箍為好。

2 改善鋼筋混凝土柱延性的方法

2.1 提高框架柱的材料性能

改善框架柱材料性能的一種方法是直接采用高強(qiáng)高性能混凝土,近年來我國在研制和應(yīng)用高強(qiáng)高性能混凝土方面取得了飛速發(fā)展,積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

改善框架柱材料性能的另一種方法是采用鋼纖維混凝土,即在普通混凝土中摻入鋼纖維,使得混凝土的材料特性向鋼材靠攏,可以有效地改善混凝土柱的延性。

2.2 使用復(fù)合螺旋箍筋

高層建筑框架柱的抗剪能力是應(yīng)該滿足剪壓比限值和“強(qiáng)剪弱彎”要求的,柱端的抗彎承載力也是應(yīng)該滿足“強(qiáng)柱弱梁”要求的。對于短柱,只要符合“強(qiáng)剪弱彎”和“強(qiáng)柱弱梁”的要求,是能夠做到使其不發(fā)生剪切型破壞的。因此,使用復(fù)合螺旋箍筋來提高柱子的抗剪承載力(見圖1),改善對混凝土的約束作用,能夠達(dá)到改善短柱抗震性能的目的。

2.3 提高框架混凝土柱的抗壓承載力

為了提高框架柱的受壓承載力,以減小框架柱的截面尺寸而提高框架柱的剪跨比,可以采用勁性混凝土(即在框架柱中配置型鋼)或在柱子中配置無間隙彈簧體系(簡稱NCS體系)的方法(如圖2,圖3所示),配置在框架柱中的型鋼和NCS體系既能提高框架柱的受壓承載力,又能提高框架柱的受剪承載力,從而有效提高框架柱的抗震性能。但其應(yīng)用的局限性是施工困難,尤其是節(jié)點(diǎn)處混凝土澆筑更為困難;且對于超短柱,混凝土與型鋼之間容易發(fā)生粘結(jié)破壞。

2.4 分擔(dān)框架柱的水平剪力

短柱的破壞是由于框架柱承擔(dān)的剪力過大,因此可以在框架柱中沿柱的凈高交叉配置“X”形鋼筋(如圖 4所示),直接承擔(dān)框架柱所承擔(dān)的一部分剪力,降低框架柱的剪壓比,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)剪弱彎,從而改善框架柱的抗震性能。

2.5 采用分體柱

人為削弱抗彎強(qiáng)度的方法,可以在柱中沿豎向設(shè)縫將短柱分為2個(gè)或4個(gè)柱肢組成的分體柱,分體柱的各柱肢分開配筋。在組成分體柱的柱肢之間可以設(shè)置一些連接鍵,以增強(qiáng)它的初期剛度和后期耗能能力。一般,連接鍵有通縫、預(yù)制分隔板、預(yù)應(yīng)力摩擦阻尼器、素混凝土連接鍵等形式。

對分體柱工作性態(tài)的理論分析和試驗(yàn)研究表明：采用分體柱的方法雖然使柱子的抗剪承載力基本不變,抗彎承載力稍有降低,但是使柱子的變形能力和延性均得到顯著提高,其破壞形態(tài)由剪切型轉(zhuǎn)化為彎曲型,從而實(shí)現(xiàn)了短柱變“長柱”的設(shè)想,有效地改善了短柱尤其是剪跨比λ≤1.5的超短柱的抗震性能。分體柱方法已在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。

2.6 采用鋼骨混凝土柱

鋼骨混凝土柱由鋼骨和外包混凝土組成。鋼骨通常采用由鋼板焊接拼制或直接軋制而成的工字形、口字形、十字形截面。

與鋼結(jié)構(gòu)相比,鋼骨混凝土柱的外包混凝土可以防止鋼構(gòu)件的局部屈曲,提高柱的整體剛度,顯著改善鋼構(gòu)件出平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能,使鋼材的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。

由于鋼骨混凝土柱充分發(fā)揮了鋼與混凝土兩種材料的特點(diǎn),具有截面尺寸小,自重輕,延性好以及優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等特點(diǎn),如果在高層或超高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)下部的若干層采用鋼骨混凝土柱,可以大大減小柱的截面尺寸,顯著改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.7 采用鋼管混凝土柱

鋼管混凝土是由混凝土填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)材料,是套箍混凝土的一種特殊形式。由于鋼管內(nèi)的混凝土受到鋼管的側(cè)向約束,使得混凝土處于三向受壓狀態(tài),從而使混凝土的抗壓強(qiáng)度和極限壓應(yīng)變得到很大的提高,混凝土特別是高強(qiáng)混凝土的延性得到顯著改善。同時(shí),鋼管既是縱筋,又是橫向箍筋,其管徑與管壁厚度的比值至少都在90以下,這相當(dāng)于配筋率至少都在4.6%以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過抗震規(guī)范對鋼筋混凝土柱所要求的最小配筋率限值。由于鋼管混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力特佳,即使在高軸壓比條件下,仍可形成在受壓區(qū)發(fā)展塑性變形的“壓鉸”,不存在受壓區(qū)先破壞的問題,也不存在像鋼柱那樣的受壓翼緣屈曲失穩(wěn)的問題。

2.8 減輕建筑物的恒載

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,降低鋼筋混凝土框架柱軸壓比的有效方法。

3 結(jié)語

鋼筋混凝土柱的延性與多種因素有關(guān),提高材料性能、采用復(fù)合式螺旋箍筋、勁性(型鋼)混凝土、NCS體系、“X”形鋼筋、鋼骨混凝土、鋼管混凝土和分體柱是改善鋼筋混凝土柱延性,提高柱的抗震性能的幾種有效方法。特別是采用延性很好的鋼管混凝土和勁性(型鋼)混凝土更為優(yōu)越,其柱子截面可以減小至一半。另外,鋼筋混凝土分體柱技術(shù),直接變短柱為“長柱”,概念清晰、設(shè)計(jì)簡單,從根本上改變了短柱的抗震性能,提高了鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震安全性。

[1]GB 50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]李忠獻(xiàn).鋼筋混凝土分體柱理論與技術(shù)[A].第十四屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議特邀報(bào)告[R].2001.

[3]張恒寧,劉紅葉,趙文軍,等.淺談抗震設(shè)計(jì)中影響框架柱延性的因素[J].工程抗震,2001(3)：38-40.

[4]彭水清.淺議改善高層建筑短柱抗震性能的措施[J].廣東科技,2006(160)：11-13.

[5]張英華,黃承逵,趙國藩.采用X形配筋改善短柱抗震性能的研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),1998,38(3)：25-26.