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

【中图分类号】TU108 【文献标识码】【文章编号】1674-3954（2011）03-0243-01

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。混凝土基本理论指出 :混凝土构件的曲率延性 ，即弯曲变形能力主要取决于截面的相对受压区高度和受压区边缘混凝土的极限变形能力。相对受压区高度主要取决于轴压比、配筋等 ，混凝土的极限变形能力主要取决于箍筋的约束程度 ，即箍筋的形式和配箍特征值 (λ =ρｆｙ ｆｃ)。因此 ，为了增大柱在地震作用下的变形能力 ，控制柱的轴压比和改善配箍具有同样的意义 ，因而采用密排螺旋箍筋柱或钢管混凝土均可以提高柱轴压比的限值。

4、注意强柱弱梁

延性框架设计的基本原则之一是“强柱弱梁”。从抗弯角度来讲，要求柱端截面的屈服弯矩要大于梁端截面的屈服弯矩，使塑性铰尽可能出现在梁的端部，从而形成强柱弱梁。在梁端出现塑性铰，一方面框架结构不会变成机构，而且塑性铰的数目多，消耗地震能的能力强；另一方面，受弯构件具有较高的延性，结构的延性有保障。

在地震作用下，对于强柱弱梁型结构，塑性铰首先出现在梁中，当部分梁端甚至全部梁端均出现塑性铰时，结构仍能继续承受外荷载，而只有当柱子底部也出现塑性铰时，结构才达到破坏。

由此可知，柱中出现塑性铰，不易修复而且容易引起结构倒塌；而塑性铰出现在梁端，却可以使结构在破坏前有较大的变形，吸收和耗散较多的地震能量，因而具有较好的抗震性能。

参考文献:

[1]黄世敏，杨沈 建筑震害与设计对策中国计划出版社

[2]周锡元吴育才 工程抗震的新发展清华大学出版社

[3]GB 50011-2010建筑抗震规范中国建筑工业出版社