谈钢筋混凝土框架柱的轴压比限值

谈钢筋混凝土框架柱的轴压比限值

1、前言

轴压比是柱子受轴力设计值与混凝土部分抗压能力的比值,即N/fcbh。

试验研究和工程震害的实践表明,轴压比对钢筋混凝土框架柱的抗震性能影响很大,在钢筋硅框架柱延性的众多影响因素（纵向钢筋的配筋率、配箍率,钢材等级,柱子的截面形状, 混凝土的强度等级,轴压比及剪跨比）中,以轴压比、配箍率和剪跨比的影响最为显著。因此,现行的建筑抗震设计规范GB50011-2010 及混凝土结构设计规范GB50010-2002中,基于希望钢筋混凝土框架柱出现以受拉钢筋的屈服为先导的大偏心受压破坏的理论和部分试验研究结果而定出的,如表1。通过限制轴压比,保证柱有足够的变形能力,使钢筋混凝土框架柱在地震作用下发生大变形时,相应于静力试验中低周反复荷载作用下剪力位移滞回曲线是不发散的,从而保证框架柱“坏而不倒”。

随着市场经济的发展和施工技术的不断提高,高层,超高层建筑如雨后春笋般的出现,由于层数的增加,使柱的轴向力加大,在设计钢筋混凝土框架结构和框剪结构时,经常会遇到柱的轴压比问题。按结构设计软件satwe进行高层结构抗震分析时,经常出现柱的断面由轴压比限值来确定,柱的配筋多为构造配筋,这是不合理的。容易造成柱的截面很大,这不仅减少了使用空间,更重要的是使柱的剪跨比减少,刚度增大,地震反应加大,容易引起柱的脆性破坏,对柱的抗震是非常不利的。

因此,在钢筋混凝土框架柱的抗震设计中,应综合考虑影响柱子延性的各项因素,不应顾此失彼。

2、影响框架柱延性的因素

2.1框架柱的剪跨比=Hn/2h。

试验结果表明剪跨比能大体反映出截面上弯曲正应力和剪切应力的比例关系,是决定框架柱延性破坏还是脆性破坏的主导因素,钢筋混凝土框架柱剪跨比越大,延性越好。在一般配筋情况下,剪跨比大于2时框架柱在水平剪力下弯曲破坏,对抗震有利,剪跨比小于2时,形成短柱,在水平剪力下剪切破坏,由于剪切破坏主要是斜截面上的弯剪主拉应力引起的,受拉纵筋在破坏时有可能还没有进人屈服,压区混凝土存在较大的复合剪应力,加速混凝土的压溃,使柱子呈脆性破坏,对抗震不利。因此,规范对剪跨比小于2的短柱轴压比的限值比一般柱子的限值减少0.05。

2.2箍筋的形式和含量

提高柱体积配箍率来改善柱轴压比要求轴压比和配箍率及箍筋形式是影响框架柱延性的主要因素。随着轴压力的增大,构件的延性在下降。随着箍筋间距的减小,构件的延性在增加。在地震反复作用下柱端钢筋保护层往往首先碎落,这时如无足够的箍筋约束,纵筋就会向外膨出,柱端破坏。箍筋的存在对柱核心砼起到有效的约束,限制了横向变形,从而提高了砼的极限变形能力,起到了加强延性的作用。对抗震结构,良好的延性使结构具有较大的塑性变形能力,同时又不丧失竖

向承载力。在地震作用下结构构件通过弹塑性变形耗散能量,使结构不倒塌, 2.3框架柱的截面形状

框架柱的截面形状,将直接影响柱截面界限破坏时钢筋和混凝土内应力应变分布,还将严重影响混凝土受压边缘的极限压应变试验值。已有分析表明,圆形截面柱子轴压比限值可达1.0以上。

2.4混凝土强度等级

采用高强混凝土可以在不加大截面的情况下提高轴压比,但由于现行混凝土设计规范主要是建立在普通混凝土受力性能基础上的，而高强混凝土由于其低水灰比和多组分的特点，改善了骨料和水泥浆体之间的界面性能，增加离混凝土的密实程度，从而达到高强和耐久。从强度上看高强砼比通常使用的砼高出很多但由于这类砼在材料选择和施工质量控制上需有比较严格的要求,在材料的性能上呈现显著的脆性,延性即变形能力降低了。因此高强砼柱必须有较高的配筋率,包括较高的最小主筋配筋率和最小箍筋率尤其在柱端的机密区必须有相当数量的箍筋。

2.5纵向钢筋的配筋率

增大纵向钢筋配筋率对轴压比是有利的,在一定程度上能提高框架柱截面的延性,但当纵向配筋量达一定值时,对变形能力的提高就很不明显了,而且如果纵向钢筋量过大,容易使柱子产生剪切破坏或粘结破坏,使延性变差。因此,抗震规范中规定了框架柱的最小配筋率，即考虑了柱的延性。

2.6外荷载的作用形式

外荷载的作用形式不同,框架柱的破坏形式往往不同,考虑抗震时,地震作用的大小和方向不同,对钢筋混凝土框架柱的抗震性能影响是不容忽视的。

2.7采用钢骨砼柱,钢骨可采用型钢,也可由钢板和型钢通过焊接、铆接或螺栓连接拼接而成。由砼包裹钢骨形成的钢骨砼结构可充分利用两种材料的强度。该结构与钢结构相比具有如下优点：①外包砼防止了钢骨的局部屈曲,提高构件的整体刚度使钢材的强度得以充分利用节约钢材。②具有更大的刚度和阻压,有利于控制结构的变形。③外包砼提高了结构的耐火性和耐久性。与钢筋砼结构相比较,钢骨砼结构因配置了钢骨使构件承载力大为提高有利于减小构件截面尺寸,同时具有较大的延性和良好的抗震性能。因此在高层建筑结构底部数层采用钢骨砼柱可减小柱截面尺寸,增加结构承截力,提高结构抗震性能。

3、结论

现行规范中的轴压比限值的规定是不具体的,没有全面考虑到影响柱子延性的其他因素,如配箍率,柱截面形式, 混凝土的强度等级等,在绝大多数情况下可以说是偏于保守的。实际上,轴压比限值不仅仅是一个数值,更应该被理解为一个概念,反映钢筋混凝土框架柱的延性。对于不同的配箍率,不同的剪跨比,不同截面形状,在结构中不同位置的柱子,均应有相应的轴压比限值的规定,而目前这方面定量的研究还很缺乏,有待于大量的试验来实现。

大量的试件试验和研究表明,只要采取一定的措施,如增加配箍率,改进截面形状和配箍形式,采用小直径的纵向钢筋等,即使框架柱的轴压比超过规范允许的限值,它的延性也是可以保证的。也就是说,现行规范中的轴压比限值,在一定条件下可以适当放宽。

在钢筋硷框架剪力墙结构中,由于水平剪力主要由剪力墙或筒体承担,框架柱近似为轴压构件,作为轴压构件,理论上是没有轴压比问题,只有稳定问题。因此,规范中关于钢筋混凝土框架剪力墙结构中柱的轴压比限值可以进一步放宽。

在实际设计中,我们一般用以下的方法来满足规范关于柱延性的规定