穿層柱設(shè)計(jì)方法探討

潘 奇

（中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司綠色建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100120）

0 引言

近年來，隨著商業(yè)、文旅建筑不斷涌現(xiàn)，為滿足人們對建筑空間的追求，挑空、雙層通高、3層通高等無任何框架梁拉結(jié)的柱常出現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)中。這些穿層柱是關(guān)系結(jié)構(gòu)安全的薄弱構(gòu)件，也必然成為設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)。如何在工程設(shè)計(jì)中選擇合理的分析和處理方法是保證穿層柱安全可靠的關(guān)鍵點(diǎn)。以下結(jié)合某商業(yè)工程，通過對穿層柱及其周邊中柱、邊柱進(jìn)行受力分析，以及對損傷破壞過程進(jìn)行分析及對比，在受力分析及損傷破壞順序的基礎(chǔ)上，選擇適合穿層柱設(shè)計(jì)的簡單、高效的設(shè)計(jì)方法，以供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

1 工程概況

北京某商業(yè)建筑設(shè)計(jì)使用年限為50年，地面粗糙度為C類，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.45kN/m2。該商業(yè)建筑共6層，其中地下1層，地上5層，層高均為4m，框架結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)防烈度為8度（0.2g）[1]，第二組，Ⅱ類場地，框架抗震等級為二級；柱網(wǎng)分布較均勻，為滿足大空間功能的建筑需求，柱網(wǎng)間均為10m×10m，x向?yàn)?跨，y向?yàn)?3跨，柱截面 1～3層為 950mm×950mm，4～5層為900mm×900mm，柱混凝土強(qiáng)度等級1～3層為C40，其余均為C30；梁、板混凝土強(qiáng)度等級均為C30，鋼筋強(qiáng)度等級均為HRB400；活荷載按商業(yè)取3.0kN/m2[2]。其中此商業(yè)在4，5層存在穿層柱，商業(yè)結(jié)構(gòu)三維模型如圖1，2所示。

圖1 商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)三維模型

圖2 穿層柱樓層三維模型

2 利用穿層柱靜力彈塑性計(jì)算研究其破壞順序

Push-over分析方法本質(zhì)上是一種與反應(yīng)譜相結(jié)合的靜力彈塑性分析方法，是按一定水平荷載加載方式對結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增的水平荷載，逐步將結(jié)構(gòu)推至一個給定的目標(biāo)位移以研究分析結(jié)構(gòu)的線性性能，從而判斷結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的變形、受力、是否滿足設(shè)計(jì)要求。通過Push-over分析各框架柱破壞順序[3]，首先選擇重力荷載代表值作為初始荷載，利用倒三角形加載模式，分別作用于結(jié)構(gòu)的x向和y向?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分步推覆，滿足層高的1/20可停止加載，桿件鉸截面破壞剛度指數(shù)取0.7，并考慮梁柱剛域。通過分析其推覆過程中損傷及破壞的機(jī)理與順序，通過不同加載過程損傷的變化、塑性鉸出現(xiàn)的順序及剪力變化，找出影響穿層柱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)而提出合理的穿層柱設(shè)計(jì)方法。

通過PKPM計(jì)算軟件進(jìn)行PUSH的加載過程分析可知，加載到32步時(shí)，大部分柱出現(xiàn)塑性鉸開始輕微破壞，但穿層柱仍表現(xiàn)為彈性，未出現(xiàn)任何損傷；加載到47步時(shí)大部分柱已出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，但穿層柱剛出現(xiàn)塑性鉸，即輕微破壞；加載到60步時(shí)，相較47步大部分柱出現(xiàn)更嚴(yán)重的破壞，而穿層柱依然維持輕微的破壞。通過對各框架柱的破壞過程分析可知，由于穿層柱的高度為2層通高，L/i較大，剛度減小，因此吸收的地震力較小，故其大部分加載步處于彈性狀態(tài)，而與穿層柱相鄰的中柱及邊柱相對剛度較大，吸收較大地震力，其損傷隨著加載力的增大不斷嚴(yán)重，直至剛度不斷退化，地震力不斷轉(zhuǎn)移到穿層柱，直至穿層柱在較大地震力作用下出現(xiàn)塑性鉸。由上述分析可知穿層柱的破壞和受力機(jī)理，從而根據(jù)損傷過程選擇合適的穿層柱剪力計(jì)算方法。因此在穿層柱的分析中應(yīng)考慮其周邊柱損壞的情況下，原邊柱及中柱剛度退化卸載的力，只有這樣才能后續(xù)繼續(xù)保證構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的安全性。

3 多遇地震及設(shè)防地震抗剪彈性穿層柱的地震剪力分配

通過PKPM軟件計(jì)算可知，穿層柱、中柱、邊柱在多遇地震及性能指標(biāo)為設(shè)防地震抗剪彈性的情況下x、y方向的地震剪力數(shù)值分配，如圖3～6所示。在計(jì)算時(shí)考慮框架梁剛度的放大及隔墻等對框架周期的影響，而且設(shè)防地震抗剪彈性設(shè)計(jì)時(shí)，由于隔墻等已破壞嚴(yán)重，可適當(dāng)考慮周期及阻尼的加大，放大系數(shù)根據(jù)具體項(xiàng)目隔墻、損傷構(gòu)件多少進(jìn)行評定。在不同地震工況及性能指標(biāo)下，統(tǒng)計(jì)x向及y向的剪力進(jìn)行對比分析。

圖3 多遇地震x方向剪力數(shù)值（單位：kN）

圖4 多遇地震y方向剪力數(shù)值（單位：kN）

圖6 設(shè)防地震抗剪彈性x方向剪力數(shù)值（單位：kN）

由圖3，4可知，多遇地震工況下x向及y向穿層柱地震剪力數(shù)值相較其相鄰x向及y向邊柱數(shù)值小很多，同樣由圖5，6可知，設(shè)防地震抗剪彈性的工況下穿層柱x向及y向地震剪力數(shù)值相對于其相鄰x向及y向邊柱數(shù)值小很多；通過對穿層柱及其相鄰中柱、邊柱的剪力數(shù)值分析可知，穿層柱由于其長度較大，剛度較小，導(dǎo)致其地震力在多遇地震及設(shè)防地震抗剪彈性的基礎(chǔ)上分擔(dān)很小，同樣由穿層柱靜力彈塑性計(jì)算，研究其破壞順序，也同樣說明前期地震剪力由中柱及邊柱分擔(dān)，穿層柱分擔(dān)剪力較小，穿層柱呈現(xiàn)彈性狀態(tài)，隨著中柱及邊柱發(fā)生較大損傷，剛度急劇降低，分擔(dān)剪力不斷減小，其減小剪力由至穿層柱分擔(dān)，穿層柱才由彈性狀態(tài)發(fā)生塑性破壞。

圖5 設(shè)防地震抗剪彈性x方向剪力數(shù)值（單位：kN）

故由上述分析可知，當(dāng)中柱及邊柱損傷破壞時(shí)，穿層柱分擔(dān)的剪力急劇增大，若按多遇地震工況下的剪力進(jìn)行穿層柱設(shè)計(jì)，明顯會出現(xiàn)安全隱患，缺乏足夠的安全儲備。按性能化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)防地震抗剪彈性穿層柱的剪力與多遇地震工況下中柱及邊柱剪力相當(dāng)，且稍有加大。故穿層柱設(shè)計(jì)時(shí)可采用性能化設(shè)計(jì)，以滿足設(shè)計(jì)安全性要求。

4 穿層柱設(shè)計(jì)方法介紹

通過分析穿層柱的損傷機(jī)理和破壞順序，由此可歸納出簡單、高效的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)的安全性，常用方法有包括剪力系數(shù)放大法和性能化設(shè)計(jì)。

1）剪力系數(shù)放大法 目前PKPM軟件已能自動識別穿層柱，并按通高柱計(jì)算長度系數(shù)，在進(jìn)行穿層柱設(shè)計(jì)時(shí)，只需按照剪力系數(shù)放大法，修改穿層柱的x、y向剪力系數(shù)，剪力放大系數(shù)等于穿層柱周邊柱（x或y向）剪力/穿層柱剪力，顯然能滿足剪力的要求。

2）性能化設(shè)計(jì) 對穿層柱進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，其設(shè)防地震抗剪彈性的性能指標(biāo)下分擔(dān)的剪力與多遇地震工況下相鄰柱的剪力相當(dāng)且偏大，故也可采用合理的性能指標(biāo)下的性能化設(shè)計(jì)。

從概念設(shè)計(jì)角度來看，穿層柱屬于薄弱及關(guān)鍵構(gòu)件，因此在進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，建議提高一度采取抗震構(gòu)造措施，如加密箍筋間距（不大于150mm）、加大箍筋直徑（不小于12mm），且應(yīng)采用井字復(fù)合箍或復(fù)合螺旋箍，進(jìn)行構(gòu)造及概念設(shè)計(jì)上的加強(qiáng)，增強(qiáng)其變形能力即延性構(gòu)造。而且穿層柱因中間層不連續(xù)屬于薄弱構(gòu)件，建議概念上加強(qiáng)上下層相鄰跨板厚及配筋，可采取雙層雙向拉通筋及不小于150mm板厚。

5 結(jié)語

現(xiàn)階段人們對于空間感的追求不斷提高，穿層柱成為商業(yè)及高檔建筑最常見的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因其特殊的受力及破壞順序，在工程設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)引起更高的關(guān)注度。通過上述破壞順序、破壞機(jī)理及受力性能的分析，可歸納出簡單實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，如剪力系數(shù)增大法、性能化設(shè)計(jì)方法及概念上對穿層柱加強(qiáng)的方法，可供具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)及研究應(yīng)用，既保證受力的合理性又保證設(shè)計(jì)的高效性，產(chǎn)生更高的價(jià)值收益。