浅谈结构设计中框架柱破坏形态及注意问题

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浅谈结构设计中框架柱破坏形态及注意问题【摘要】在框架设计中我们虽然强调应符合“强柱弱梁”的设计原则,尽可能使柱子处于弹性阶段,但是实际上地震作用具有很大不确定性,同时也不可能绝对防止在柱中出现塑性铰。为了使柱子具有安全贮备,还是要保证柱子也有一定的延性。

【关键字】破坏形态;延性;短柱;轴压比

在国内外历次大地震中,由钢筋混凝土柱破坏造成的震害是很多的,房屋是否能够坏而不倒,很大程度上与柱的延性好坏有关。近年来国内外对钢筋混凝土柱的抗震性能作了大量试验研究,提出了保证柱子延性的设计方法及一些构造措施。

一、柱子的破坏形态

柱子的破坏形态有弯曲破坏、剪切破坏、粘结破坏三种类型,具体有:

1、弯曲破坏。通常发生在柱顶或柱底截面。破坏时压区混凝土压碎、主筋压屈。受拉钢筋有时能达到屈服,有时则达不到屈服。

2、剪切受压破坏。在荷载作用下,水平弯曲裂缝向斜向发展,形成斜裂缝。当箍筋配置较多时,斜裂缝不会迅速开展,而是剪压区混凝土在弯、剪的共同作用下压碎。

3、剪切受拉破坏。当剪跨比较小且配箍率较低时,在主筋受拉屈服后,随着反复荷载的作用,会产生一条较宽大的斜裂缝,导致箍筋屈服、柱子剪坏。

4、剪切斜拉破坏。一般发生在短柱中。斜裂缝往往沿柱子对角出现,箍筋达到屈服甚至被拉断,柱子被剪坏

5、粘结开裂破坏。粘结破坏有两种类型,一是由于钢筋锚固不足被拔出而破坏;另一种是在柱子弯曲裂缝或剪切裂缝出现后,在反复荷载作用下,沿主筋出现粘结裂缝,使混凝土沿主筋酥裂脱落导致柱子破坏。

以上破坏形式不同,其对应的极限变形能力也不一样。比较而言,剪切斜拉破坏和剪切受拉破坏属于脆性破坏,设计中应该避免;粘结破坏延性较差,也应当避免;弯曲破坏和剪切受压破坏属于延性破坏,其延性受到许多因素的影响。

在实际工程中,柱子的破坏常常是几种破坏形态的综合反映。只是有时某一种破坏形态表现的突出一些。

二、影响框架柱延性重要参数

1、剪跨比λ

剪跨比是影响钢筋混凝土柱破坏形态的最重要的因素。剪跨比较小的柱子会出现斜裂缝而导致剪切破坏。由试验研究有如下规律:

剪跨比λ>2时,称为长柱,多数发生弯曲破坏,但仍然需要配置足够的抗剪箍筋。

剪跨比λ<2时,称为短柱,多数会出现剪切破坏,但当提高混凝土等级并配有足够的抗剪箍筋后,可能出现稍有延性的剪切受压破坏。

剪跨比λ<1.5时,称为极短柱,一般都会发生剪切斜拉破坏,几乎没有延性。

抗震规范中规定,框架柱的净高与截面高度比宜大于4。所以,抗震结构中,在确定方案和结构布置时,就应避免短柱,特别是应避免在同一层中同时存在长柱和短柱的情况,否则需要采取特殊措施,慎重设计。

2、轴压比

轴压比是影响钢筋混凝土柱承载力和延性的另一个重要参数。大量试验表明,随着轴压比的增大,柱的极限抗弯承载力提高,但极限变形能力、耗散地震能量的能力都降低。而且抽压比对短柱的影响更大。

大量试验表明,在长柱中,轴压比愈大,混凝土压区高度愈大,受拉钢筋屈服的可能性越小,柱子的延性越低。压弯构件会从大偏压破坏状态向小偏压破坏过渡,小偏压破坏延性很小或者没有延性。在短柱中,轴压比加大也会改变柱的破坏形态,会从剪压破坏变成脆性的剪拉破坏,破坏时承载能力突然丧失。长柱及短柱的试验结果显示,轴压比愈大,塑性变形段愈短,承载能力下降愈快,即延性减小。

3、剪压比

剪压比是指截面平均剪应力与混凝土轴心抗压强度的比值,表达式为

当构件的截面尺寸太小或混凝土强度太低时,按抗剪承载力公式计算的箍筋数量会很多,则箍筋在充分发挥作用之前,构件将过早呈现脆性斜压破坏,这时再增加箍筋用量已没有意义。因此,设计中应限制剪压比,使箍筋数量不至于太多,同时,也可有效地防止斜裂缝过早出现,减轻混凝土碎裂程度。这实质上也是对构件最小截面尺寸的要求。

剪压比越大,斜裂缝出现的越早,要求配置的箍筋量也就越多。但是试验表明,当配箍率过高时,有可能混凝土已经破碎而箍筋尚未屈服,箍筋难以发挥作用。在设计中应当避免这种情况。

三、设计中注意问题:

1、设计中要注意避免短柱的产生。

短柱定义:钢筋混凝土结构中按内力计算值得到的剪跨比Mc/ (Vch0)不大于2、反弯点在柱子高度中部、柱净高与柱截面高度之比Hn/h不大于4。

注意事项:由于实心砖填充墙对框架柱的约束,如:框架柱间砌筑不到顶的隔墙、窗间墙以及楼梯间休息平台使框架柱变成短柱。计算时是否短柱时沿填充墙平面内和平面外的柱子净高不同,柱子的截面高度选取对应方向截面尺寸,而不是选取柱子截面尺寸最大值。

地震破坏特征:剪切型、脆性破坏。

截面验算:轴压比限值应比一般柱降低0.05,截面组合的剪力设计值应满足规范要求。

构造要求:抗震等级为一级时每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1. 2%;箍筋沿柱子全高加密,间距不应大于100mm,宜采用复合螺旋箍或井字复合箍,其体积配箍率在6~8度时不应小于1.2%,9度时不应小于1.5%;梁柱节点核芯区的体积配箍率不应小于上下柱端的较大值(体积配筋率计算时,可以计入在节点有效宽度范围内梁的纵向钢筋)。

超短柱:剪跨比小于1.5的要专门研究,如采取增设交叉斜筋、外包钢板箍、设置型钢或将抗震薄弱层转移到相邻的一般楼层。

2、防止建筑物扭转

在结构设计中,尽管角柱轴压比较小,但其在抗扭过程中作用却很大(若角柱先坏,整个结构的扭转刚度或强度下降,中柱必定依次破坏),同时,在水平力的作用下,角柱轴力的变化幅度也会很大,这样势必要求角柱有较大的变形能力。所以,角柱设计时在承载力和变形能力上都应有较多考虑,如加大配箍,采用密排箍筋柱、钢管混凝土柱。

3、重视柱子轴压比

在高层建筑结构设计中,柱轴压比的限值已成为困扰结构工程师的实际问题,随着建筑高度的增加,结构下部柱截面也越来越大,而柱的纵向钢筋却为构造配筋,即使采用高强混凝土,柱截面也不会明显降低。实际上,柱的轴压比大小,直接反映了柱的塑性变形能力,而构件的变形能力会极大地影响结构的延性。混凝

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