钢筋混凝土短柱的判别与设计处理

工业建筑 2011 年第 41 卷第 10 期
发生粘着型破坏的 条 件 主 要 为 剪 跨 比 小、纵 筋 配 筋 率大或采用大直径 根 数 少 的 配 筋 方 式，短 柱 发 生 剪 切型破坏的条件则为强弯弱剪。若在短柱中将部分 纵筋斜向布置 为 Χ 形，如 图 2 所 示，由 于 部 分 纵 筋 移向截面中部，因此 可 避 免 由 于 密 排 纵 筋 引 起 的 粘 着型破坏； 同时，在 满 足 受 弯 承 载 力 要 求 的 前 提 下， 斜向钢筋在柱截面的水平分量又可提高短柱的受剪 承载力； 另外，Χ 形 配 筋 方 式 可 使 纵 筋 数 量 沿 柱 高 的变化正好可大致 与 框 架 柱 的 弯 矩 图 相 同，钢 筋 既 得 到 了 充 分 利 用 ，还 可 减 小 柱 中 部 的 受 弯 承 载 力 ，有 利于“强剪 弱 弯 ”的 实 现，实 验 结 果 表 明［8］，采 用 Χ 形配筋方式的短柱 最 终 发 生 弯 曲 型 破 坏，因 此 其 具 有良好的延性和 耗 能 能 力。 另 外，当 短 柱 设 计 不 能 满足 JGJ 3—2002《高层 建 筑 混 凝 土 结 构 设 计 规 程 》 第 6. 4. 4 条的规定： “一 级 且 剪 跨 比 不 大 于 2 的 柱， 其单 侧 纵 向 受 拉 钢 筋 的 配 筋 率 不 宜 大 于 1. 2% ”的 规定时，采用部分 Χ 形 配 筋 方 式 即 可 解 决。 由 于 部 分 Χ 形配筋柱改善短柱抗震性能并不依赖于约束 混凝土效应，因此，其 轴 压 比 限 值 不 会 提 高，其 配 箍 特征值 λv 与普通柱相同。合适的 Χ 形配筋量与全 部纵筋的比值宜在 1 /3 ～ 1 /2 之间。
关键词： 短柱； 脆性破坏； 判别式； 处理方案； 方案比选
THE DISTINCTION AND DESIGN DEALING ON SHORT REINFORCED CONCRETE COLUMNS
You Qiang1 You Meng2 （ 1. School of Economics and Management，Yibin University，Yibin 644000，China； 2. School of Urban Construction University of South China ，Hengyang 421001，China）
到的结果利用式（ 2） 判断。
2 短柱处理措施 由 于 短 柱 的 破 坏 为 脆 性 的 剪 切 破 坏 ，因 此 ，在 抗
震 设 计 中 ，应 首 先 设 法 不 使 短 柱 成 为 主 要 抗 震 构 件 ， 当 不 可 避 免 时 ，可 采 用 以 下 处 理 措 施 。
1） 采用较高强度等级的混凝土以减小柱的截 面 尺 寸 ，加 大 剪 跨 比 ，避 免 出 现 短 柱 甚 至 极 短 柱 。
4） 尽可能减小框 架 梁 的 截 面 尺 寸，降 低 框 架 梁 对柱的约束作用以 使 柱 的 有 效 长 度 加 大，降 低 剪 跨 比。
5） 部分纵筋采用 Χ 形配筋方式。该方法主要 适用于框架柱反弯点在层高范围内的情况。部分纵 筋采用 Χ 形配筋方式首先由日本福山大学南宏一 教授提出，目前已 在 很 多 工 程 中 采 用。 粘 着 型 和 剪 切型破 坏 是 短 柱 最 常 见 的 两 种 破 坏 形 式［5］。 短 柱
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显然，上述结论 是 在 柱 上 下 端 均 为 刚 性 约 束 且 其反弯点位于柱高中点这一前提下得到的。但实际 工 程 中 ，梁 柱 的 线 刚 度 比 往 往 较 小 ，框 架 梁 对 柱 的 约 束 条 件 并 非 刚 性 约 束 而 实 际 为 弹 性 约 束 ，另 外 ，结 构 的下部楼层柱尤其 是 与 基 础 相 连 的 底 层 柱，由 于 基 础 对 柱 的 约 束 远 大 于 上 部 框 架 梁 对 柱 的 约 束 ，这 样 ， 柱的反弯点就会上 移 而 偏 离 柱 高 中 点，有 时 甚 至 在 层高范围不会出现反弯点。因此对反弯点不在柱高 中点的柱用 Hn /h ≤ 4 作为区分长短柱的标准是不 恰当的，而应该根据短柱的力学定义 λ = M / Vh ≤ 2 来判断才是正确的做法。
柱顶即 φn = 1. 0 时，式 （ 2 ） 变 为 Hn / h ≤ 2； 当 柱 的 反弯点位于层高范 围 之 外 时，则 只 能 采 用 最 大 弯 矩
作用截面（ 一般为柱底截面） 的剪跨比来判断框架
柱是否为短柱。
设计时，可利用修正 后 的 反 弯 点 法 即 D 值 法 确
定框架柱的反弯点比 φn ，然 后 利 用 式 （ 2 ） 判 断 其 是 否为短柱； 当需要做更精确的判断时，可利用电算得
如图 1 所 示，在 层 高 范 围 内 框 架 柱 的 受 力 状 态 犹如一受 有 定 值 轴 力 作 用 的 连 续 梁，柱 净 高 Hn 相 当于连续梁的剪跨 a。文献［1］指出，对于对称配筋 的剪跨比不变的连 续 梁，剪 切 破 坏 总 是 发 生 在 弯 矩 较 大 的 区 段 也 即 剪 跨 比 较 大 的 区 段 ，而 对 于 框 架 柱 ， 剪切破坏的临界斜裂缝也总是出现在弯矩较大的区 段也即剪跨比较 大 的 区 段。 众 所 周 知，钢 筋 混 凝 土 构件的抗剪承载力是随着剪跨比的增大而减小的， 因此对于剪力沿柱高不变的框架柱或受集中荷载作 用的连续梁，弯矩较 大 区 段 的 斜 截 面 抗 剪 承 载 力 总 是 小 于 弯 矩 较 小 区 段 ，在 荷 载 作 用 下 ，若 发 生 剪 切 破 坏 ，只 可 能 发 生 在 弯 矩 较 大 区 段 ，因 此 用 于 判 断 框 架 柱是否为短柱的剪跨比 λ 当然应该采用较大的剪 跨比也即弯矩较大截面的剪跨比。
Industrial Construction Vol. 41，No. 10，2011
当同一楼层同时存 在 长 柱 和 短 柱 且 无 剪 力 墙 时，常 会因短柱首先破坏而导致结构被各个击破而出现连 续性破坏或倒塌。 因 此，在 钢 筋 混 凝 土 结 构 抗 震 设 计 中 ，为 避 免 短 柱 的 脆 性 剪 切 破 坏 ，应 首 先 准 确 判 断 短 柱 ，然 后 采 取 行 之 有 效 的 处 理 措 施 ，以 提 高 结 构 的 延 性 和 抗 震 性 能 ，保 证 抗 震 安 全 性 。
2） 考虑在适当部 位 设 置 一 定 数 量 的 剪 力 墙，形 成 多 道 抗 震 防 线 ，增 强 结 构 抗 连 续 倒 塌 能 力 。
3） 采用有效的配 筋 方 式 和 合 理 的 构 造 措 施，加 强对混凝土约束，改善短柱 的 延 性。文 献［1 － 3］给 出的改善短柱延性的措施有： 柱箍筋全高加密，采用 井 字 形 复 合 箍 、螺 旋 箍 或 连 续 复 合 螺 旋 箍 、在 柱 截 面 中部设置芯柱等，并对箍筋的配箍特征值 λv 和体 积 配箍率 ρv 针对不同的抗震等级和剪跨比提出了相 应的最低限值要求。实验证明该种方法对 1. 5 ≤ λ ≤ 2. 0 的短柱较为 有 效，但 对 λ ≤ 2. 0 的 极 短 柱 效 果不显著。
短柱定义，有柱上下端截面的剪跨比： λ = M / Vh =
V·Hn /Vh 2
=
Hn /2h ≤ 2，据此认为当 Hn / h ≤ 4 时就
为短柱。
第一作者： 游强，男，1973 年出生，硕士，讲师，一级注册结构工程师。 E － mail： youqiangcq@ 126． com 收稿日期： 2011 － 02 － 10
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λ
=
Mb Vh
=
V（ φnHn） Vh
=
φnHn h
≤2
（ 1）
或
Hn /h ≤ 2 /φn
（ 2）
式中： φn 为 n 层柱反弯点距柱底的距离与柱净高的
比值，称为 反 弯 点 高 度 比； Hn 为 n 层 柱 净 高； h 则 为
n 层柱截面高度
利用式（ 2） 判断框架柱是否为短柱具有普适

性。例如，当柱的反弯点位 于 柱 高 中 点 即 φn = 0. 5 时，式（ 2） 变为 Hn / h ≤ 4 （ 这即为多数设计人员在概 念不甚清楚下所采用的判据） ； 当柱的反弯点位于
钢筋混凝土短柱的判别与设计处理
游 强1 游 猛2
（ 1. 宜宾学院经济与管理学院，四川宜宾 644000； 2. 南华大学城市建设学院，湖南衡阳 421001）
摘 要： 为避免短柱的脆性破坏，从短柱的力学定 义 出 发，分 析 了 常 用 短 柱 判 别 方 法 的 错 误 原 因 并 给 出 具有普适性的判别式； 然后根据设计经验和前人的研究成果，总结了 9 种可供选择的短柱处理方案，比较了它 们 的 优 缺 点 与 适 用 范 围 ，工 程 实 践 中 可 据 此 进 行 方 案 比 选 。
如图 1 所 示，考 虑 到 框 架 结 构 的 底 层 或 底 部 数 层，反弯点 位 置 一 般 位 于 柱 高 中 点 以 上，即 Mb ＞ Mt ，根据以上分析及短柱的力学定义则有：
图 1 框架柱及连续梁内力 Fig． 1 Inner force chart of columns and continuous beam
1 短柱与长柱的区分标准与方法
工程实践中，多数设计人 员 一 般 根 据 柱 净 高 Hn 与柱截面高度 h 的 比 值 Hn / h 大 小 来 区 分 长、短 柱。 当 Hn / h ≤ 4 时判为短柱，反之则为长柱。据此判断 的理由如下： 考虑到一般框架柱的反弯点在柱高 Hn 中点附近，沿柱高各截面剪力 V 不变，根据剪跨比及
0引言 为防止脆性破 坏，避 免 结 构 在 遭 遇 本 地 区 设 防
烈度或罕遇烈度地震作用下 倒 塌，文 献［1 － 3］对 受 压构件的轴压比及剪跨比做出了明确的限值要求， 其目的是保证受压构件的延性。轴压比和剪跨比是 影响受压构件延性 的 两 个 主 要 因 素，但 同 时 也 是 一 对 互 成 矛 盾 的 因 素 。 显 然 ，在 柱 高 一 定 的 情 况 下 ，为 满 足 轴 压 比 限 值 要 求 ，往 往 需 增 大 构 件 截 面 尺 寸 ，但 截面尺寸的增大会 导 致 剪 跨 比 的 减 小，导 致 出 现 短 柱 ，又 降 低 了 构 件 的 延 性 。 在 高 层 建 筑 底 部 楼 层 ，为 满 足 轴 压 比 限 值 要 求 ，柱 子 截 面 往 往 较 大 ，这 样 在 底 部楼层就易形成短柱； 此外层高较低、荷载较大的地 下车库框架柱； 非结构墙体与框架柱之间采用不到 顶的刚性连接； 楼梯间平台梁与框架柱浇筑在一起 的框架柱也易形成短柱。