鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中短柱的成因及防治

劉嘉君

摘? ? 要：隨著建筑高度的增加，底層柱承擔(dān)的軸力也在增大。為了滿足規(guī)范對(duì)混凝土柱軸壓比的限值要求，柱截面過大易形成短柱甚至超短柱。從多次震害中可以看出，導(dǎo)致混凝土框架結(jié)構(gòu)破壞倒塌的一個(gè)重要因素是短柱的破壞。地震作用下框架柱的破壞一般發(fā)生在柱上下端，且梁頂柱底較多。柱端常出現(xiàn)水平或斜裂縫，嚴(yán)重時(shí)柱端混凝土壓碎，鋼筋壓曲。短柱剪切破壞在地震中很普遍，為了滿足抗震要求，建筑需要有一定的延性。本文將探討鋼筋混凝士結(jié)構(gòu)中短柱的成因及防治。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土;結(jié)構(gòu);短柱;成因

1? 短柱的正確判定

軸壓比和剪跨比是影響柱子延性的最主要因素，也是一對(duì)相互矛盾的因素，為滿足規(guī)范對(duì)軸壓比限值的要求，框架柱的截面往往比較大，致使柱子剪跨比減小，在結(jié)構(gòu)底部常常形成短柱甚至超短柱。柱凈高Hn與截面高度h之比Hn/h≤4為短柱，工程界許多工程技術(shù)人員也都據(jù)此來判定短柱，這是一個(gè)值得注意的問題。因?yàn)榇_定是不是短柱的參數(shù)是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ=M/Vh≤2的柱才是短柱，而柱凈高與截面高度之比Hn/h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于2，亦即不一定是短柱。按Hn/h≤4來判定的主要依據(jù)是：①λ=M/Vh≤2;②考慮到框架柱反彎點(diǎn)大都靠近柱中點(diǎn)，取M=0.5VHn，則λ=M/Vh =0.5 VHn/ Vh=0.5Hn/h≤2，由此即得Hn/h≤4但是對(duì)于高層建筑，梁、柱線剛度比較小，特別是底部幾層，由于受柱底嵌固的影響且梁對(duì)柱的約束彎矩較小，反彎點(diǎn)的高度會(huì)比柱高的一半高得多，甚至不出現(xiàn)反彎點(diǎn)，此時(shí)不宜按Hn/h≤4來判定短柱，而應(yīng)按短柱的力學(xué)定義剪跨比≤2來判定才是正確的。1.5≤λ<2時(shí)為短柱，柱將產(chǎn)生以剪切為主的破壞，當(dāng)提高商品混凝土強(qiáng)度或配有足夠的箍筋時(shí)，也可能出現(xiàn)具有一定延性的剪壓破壞。λ<1.5時(shí)為極短柱，柱的破壞形態(tài)為脆性剪切破壞，抗震性能差，一般設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免，若無法避免則應(yīng)采取特殊措施以保證其斜截面承載力。

2? 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中短柱的成因

在實(shí)際工程中出短柱的原因可分為兩大類，一是工程設(shè)計(jì)中的問題，包括新建鋼混凝士房屋的抗震設(shè)計(jì)和原有鋼筋混凝土房屋的加固設(shè)計(jì)，二是施工中改變?cè)O(shè)計(jì)等。

2.1? 抗震設(shè)計(jì)中出現(xiàn)短柱的情況

（1）在新建鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，由于柱網(wǎng)布置不合理，使少量的框架柱承受的豎向苘載過大，為了控制柱的軸壓比在一定的范圍內(nèi)而采取較大的柱截面，還有的因柱混疑土強(qiáng)度等級(jí)偏低導(dǎo)致柱的截面偏大等。另外，樓梯間位置由于梯梁對(duì)框架柱的絲束也會(huì)形成短柱。

（2）在原有鋼筋屁凝土框架房屋的抗震加固中，不適當(dāng)?shù)夭捎猛獍摻罨煲墒恐孛?，使柱的凈高與柱截面高度之比小于4而形成短柱。

2.2? 施工中短柱的或因

（1）施工中對(duì)混凝土框架中的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接處理不當(dāng)。如外縱墻墻體與框架柱的連接，在設(shè)計(jì)圖中為柔性連接，但在施工中采用了剛性連接;而且外縱墻又多為窗下裙墻，其剛連接使得框架柱在窗臺(tái)標(biāo)高處形成了一個(gè)剛性支承而形短柱。由于設(shè)計(jì)形成的短柱，一般都按規(guī)范采取了沿柱全高箍筋加密;而施工不當(dāng)所造成的短柱，則連沿柱全高箍筋加密都沒有做到，因此，這種因施工不當(dāng)而形成的柱更為危險(xiǎn)，其隱患更大。

（2）多跨廠房?jī)?nèi)部不恰當(dāng)?shù)赜么u墻分割也是形成短柱的原因。有些多跨廠房在原設(shè)計(jì)中并沒有嵌砌于排架柱的內(nèi)縱墻，在使用過程中有時(shí)出現(xiàn)2個(gè)車間共同使用一個(gè)多跨廠房等，有的廠房再用磚砌2.5m左右嵌砌于排架柱的墻，致使排架柱在縱向的嵌砌墻高以上范圍內(nèi)形成短柱，在地震作用下，將加重廠房的破壞。

3? 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中短柱的防治

3.1? 如何避免短柱的出現(xiàn)及破壞

鋼筋混凝士框架中的短柱，其破壞狀態(tài)為脆性，其抗震性能比較差，在新建鋼筋混凝土房屋的抗震設(shè)計(jì)和現(xiàn)有鋼筋混凝土房屋的抗震加固中應(yīng)盡量避免;在施工中應(yīng)杜絕不符合設(shè)計(jì)思想而形成的短柱。如果同一樓層中均為短柱（如高層建筑的設(shè)備層），各柱之間抗側(cè)剛度不很懸殊，這種情況下按規(guī)范進(jìn)行內(nèi)力分析和截面設(shè)計(jì)構(gòu)造，結(jié)構(gòu)安全是可以保證的，所以應(yīng)避免在同一樓層中出現(xiàn)少量短柱，對(duì)于不可避免的短柱，應(yīng)采取構(gòu)造措施提高其延性。

3.2? 改善鋼筋混凝土短柱抗震性能的措施

當(dāng)短柱不可避免出現(xiàn)時(shí)，可考慮采用以下措施消除或改善短柱的抗震性能。

（1）采用高強(qiáng)性能混凝土。為減小框架柱的截面，提高剪跨比，最直接的方法就是提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，即采用高強(qiáng)性能混凝土來增大框架柱的受壓承載力，降低軸壓比，減小柱截面。

（2）采用框架一剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)體系?？蚣芤患袅Γê诵耐玻┙Y(jié)構(gòu)中，由于剪力墻（核心筒）與框架的協(xié)同工作，改變了框架的剪力分布，且框架屬于第二道防線，大部分地震作用由剪力墻承受，框架承受的相對(duì)較少，因此框架柱發(fā)生剪切變形的可能性變小，只要剪力墻設(shè)置恰當(dāng)，就能消除或部分消除短柱。

（3）選用井字復(fù)合箍、復(fù)合螺旋箍或連續(xù)復(fù)合螺旋箍。加強(qiáng)箍筋對(duì)框架柱的約束，可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，防止構(gòu)件在大剪壓比情況下發(fā)生剪切破壞。根據(jù)《高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第6.4.2條備注第4點(diǎn)，當(dāng)沿柱全高采用井字復(fù)合箍、復(fù)合螺旋箍或連續(xù)復(fù)合螺旋箍，同時(shí)滿足箍筋肢距不大于200mm、箍筋（螺旋）間距不大于100mm（連續(xù)復(fù)合螺旋箍時(shí)螺距不大于80mm）、直徑不小于12mm（連續(xù)復(fù)合螺旋箍時(shí)直徑不小于10mm），柱軸壓比限值可增加0.10。

（4）在柱截面中部設(shè)置矩形芯柱。試驗(yàn)證明，在壓、彎、剪作用下，當(dāng)框架柱出現(xiàn)彎、剪裂縫時(shí)，大多數(shù)情況下芯柱可以有效地減小框架柱的壓縮，保持框架柱的外形和截面承載力，因此芯柱可以提高短柱的變形能力，延緩倒塌。根據(jù)《高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第6.4.1條備注第5點(diǎn)，當(dāng)柱截面中部設(shè)置由附加縱向鋼筋形成的芯柱，且附加縱向鋼筋的截面面積不小于柱截面面積的0.8%時(shí)，柱軸壓比限值可增加0.05。

（5）采用分體柱。由于短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多，在地震作用下往往是因剪切而失效，其抗彎強(qiáng)度不能完全發(fā)揮。因此，可人為地削弱短枉的抗彎強(qiáng)度，使抗彎強(qiáng)度相應(yīng)于或略低于抗剪強(qiáng)度，采用分體柱就是這一目的。這樣，在地震作用下，柱子將首先達(dá)到抗彎強(qiáng)度，從而呈現(xiàn)出延性的破壞狀態(tài)。

（6）采用型鋼混凝土柱。型鋼混凝土柱是在型鋼外包普通鋼筋混凝土而形成的組合結(jié)構(gòu)。型鋼通常采用扎制或由鋼板焊接拼制而成的工字形、口字形、十字形截面。由于型鋼混凝土柱充分發(fā)揮了鋼與混凝士?jī)煞N材料的特點(diǎn)，具有截面尺寸小、自重輕、延性好及經(jīng)濟(jì)效率高等特點(diǎn)，如果在高層或超高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)下部的若干層采用型鋼混凝土柱，可大大減小柱的截面尺寸，顯著改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（7）采用鋼管混凝土柱。鋼管混凝土是將混凝土填入鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)，是套箍混凝土的一種特殊形式。常見的有圓鋼管混凝土和方鋼管混凝土，在軸心受壓荷載作用下，混凝土三向受壓，延緩了受壓時(shí)的縱向開裂，另一方面，混凝土的存在可以避免或延緩薄壁鋼管過早地發(fā)生局部屈曲。因此，通過兩種材料組合相互彌補(bǔ)了彼此的弱點(diǎn)，充分發(fā)揮彼此的長(zhǎng)處，從而使鋼管混凝土具有很高的承載力，大大高于組成鋼管混凝土的鋼管和核心混凝土承載力之和，并且使混凝土的塑性和韌性性能大為改善。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比它具有承載力高、重量輕、塑性韌性好、耐疲勞、耐沖擊、施工方便及經(jīng)濟(jì)效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

總之，為保證短柱結(jié)構(gòu)的安全，在設(shè)計(jì)施工中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，采取切實(shí)可行的構(gòu)造措施，防止短柱破壞。在施工中遇到用戶提出修改設(shè)計(jì)出現(xiàn)短柱問題時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行妥善處理有針對(duì)性地采取描施，保證結(jié)構(gòu)安全。