高层柱子选型

浅谈高层建筑柱子选型

张维斌

提要：本文根据现行规范及有关资料，对高层建筑底部数层柱子的选型及截面尺寸的预估作了介绍，并给出了部分计算例题。

关键词钢筋混凝土柱，钢管混凝土柱，型钢混凝土柱，钢筋混凝土分体柱，轴压比，剪跨比

Abstract: Based on the codes and other documents, the selection for columns at low stories in tall building, and calculation for sizes of column’s section are introduced in this paper

Key words: reinforced concrete column, concrete-filled steel tubes, steel reinforced concrete, split column, ratios of axial forces, ratios of shear and span

一、问题的提出

柱轴压比的概念是高层建筑柱子设计的重要概念。«高层建筑混凝土结构技术规程»JGJ3-2002规定了钢筋混凝土框架柱的轴压比限值,其目的是使柱子在包括地震作用等多种荷载效应组合作用下处于大偏心受压状态, 只产生延性较好的受拉破坏而不是脆性的受压破坏。具有较大的屈服后变形能力和耗能能力,具有较好的延性和抗震性能。

剪跨比的概念也是高层建筑柱子设计的重要概念。它大体反映了截面上弯曲应力与剪切应力的比例关系，和轴压比相比，剪跨比对框架柱的破坏特征起主导作用。试验表明：在通常的配筋条件下，当剪跨比λ>2时框架柱在横向水平剪力作用下，一般都发生延性较好的弯曲破坏；当λ≤2时框架柱就变成了短柱，在横向水平剪力作用下一般都发生脆性的剪切破坏。高规表6.4.2注3规定: 剪跨比1.5≤λ≤2，其轴压比限值应比规范表中数值减小0.05，剪跨比λ＜1.5，其轴压比限值应专门研究并采取特殊构造措施。

在高层建筑中，由于房屋高度大、层数多，故柱子底部数层的轴向力很大，设计时首先应满足柱轴压比要求，由于现行规范对柱轴压比限制较严，要满足规范要求，柱子截面往往较大。柱子截面过大会带来许多问题：1增加结构自重，加大地震作用；2容易形成短柱甚至超短柱，易使柱发生脆性破坏；3占据较多的建筑面积，影响建筑的使用功能。

当高层建筑设有设备层时,由于设备层层高较小,而设备层柱子的截面尺寸变化很小或者不变化,故往往会形成短柱甚至超短柱，易使柱发生脆性剪切破坏；同时造成设备层上下层侧向刚度差异大, 甚至形成结构薄弱层和(或)软弱层。

因此，根据具体结构的设计要求,选择适当的柱子型式和合理的截面尺寸，合理经济地做好高层建筑柱子的设计，避免形成短柱, 避免形成结构薄弱层,使结构具有较好的延性和抗震性能,是高层建筑结构设计的一个十分重要的问题。

二、高层建筑柱子类型简介

目前高层建筑中采用的柱子截面型式大致有以下几种：1.普通钢筋混凝土柱；2.高强混凝土柱；3.配有螺旋箍筋的钢筋混凝土柱；4.增设芯柱的钢筋混凝土柱；5.钢筋混凝土分体柱；

6.型钢混凝土柱；

7.钢管混凝土柱。现对各种类型分别简述如下：

1.普通钢筋混凝土柱

钢筋混凝土柱的设计,一般首先根据规范有关规定确定柱子的轴压比，由此初选柱子截面尺寸，再进行整体结构分析、构件内力组合和配筋计算、构造设计等。对多层及小高层建筑的底层柱，应首选普通钢筋混凝土柱,由于柱子轴向力不是很大，多数情况下柱子既可满足规范规定的轴压比限值,截面尺寸又不致很大。很多层数为20~30层的高层建筑,采用C50~C60级混凝土,也能很好地满足设计要求。普通钢筋混凝土柱是目前高层建筑中使用最多的柱子类型。由于大家都比较熟悉，这里不再赘述。

表1是高规对普通钢筋混凝土柱轴压比限值的主要规定。

柱轴压比限值表1

抗震等级

结构类型

一级二级三级框架0.70 0.80 0.90 板柱-剪力墙、框架-剪力

0.75 0.85 0.95

墙、

框架-核心筒、筒中筒

部分框支剪力墙0.60 0.70 —

注: 当抗震等级为四级时，对框架柱的轴压比无要求（即延性可放松），但设计时应该满足箍筋配置及加密等构造要求。

2.高强钢筋混凝土柱

由柱轴压比计算公式可知,当N(轴压力)、μ(轴压比)一定时,要减小A(截面尺寸),可加大fc(混凝土强度等级),即采用高强钢筋混凝土柱。其设计方法和普通钢筋混凝土柱完全一致。据分析采用C60~C80高强度混凝土可以减小柱截面面积约30%左右(与C40相比)，目前不少高层建筑底部柱多采用C60混凝土，效果较好。但高强混凝土延性差，容易造成柱子的脆性破坏，混凝土强度越高,其延性越差,须配置较多的箍筋约束混凝土,方可使其具有较好的延性和抗震性能。高规表6.4.2注2规定: 当混凝土强度等级为C65~C70时，轴压比限值应比表中数值减小0.05，当混凝土强度等级为C75~C80时，轴压比限值应比表中数值减小0.10。这就不同程度地降低了采用高强混凝土减小柱截面尺寸的效果。同时,在长期荷载下柱子的徐变也较大，故建议少用或不用。目前国内采用C65以上高强混凝土柱的高层建筑尚很少见。

3.配有螺旋箍筋的钢筋混凝土柱

混凝土处于三向受压状态，不仅可提高其强度，还可提高其延性。配有螺旋箍筋的钢筋混凝土柱正是利用了混凝土的这个性质。现行规范虽未给出柱的承载力计算方法和设计方法,但对其延性的提高有规定(高规表 6.4.2注4):当沿柱全高采用井字复合箍且箍筋肢距不大于200mm，间距不大于100mm，直径不小于12mm，轴压比限值可增加0.10；当沿柱全高采用复合螺旋箍筋，箍筋肢距不大于200mm，螺距不大于100mm，直径不小于12mm，或沿柱全高采用连续复合螺旋箍筋，箍筋肢距不大于200mm，螺距不大于80mm，直径不小于10mm，轴压比限值可增加0.10。显然，按增大后的轴压比也可以减小柱子截面尺寸。但须注意：1). 柱长细比L0/h应<8（此条一般均可满足）；2).柱端箍筋加密区最小配箍特征值应按增大后的轴压比确定,即要加大配箍率,以便有效约束混凝土。

配有螺旋箍筋的钢筋混凝土柱的缺点是螺旋箍筋制作较为麻烦,施工不太方便。方柱的约束效果不如圆柱好。这些都影响了配有螺旋箍筋的钢筋混凝土柱的实际应用。

4. 型钢混凝土柱

在钢筋混凝土柱内配置型钢(含钢率一般为4%~10%),使型钢骨架和钢筋混凝土形成整体,协同工作,共同受力,这就是型钢混凝土柱(图1)。型钢混凝土柱既具有钢筋混凝土结构的特点, 又具有钢结构的特点,其承载力高、刚度大,且具有良好的延性和抗震性能,同时防火性能也很好。