框架柱的抗震设计

摘要：通过对框架柱在地震中几种破坏形态的分析，结合现行建筑抗震设计规范对柱的各种要求，针对可能出现的各种破坏所采取的相应的构造措施，使整体框架具有一定的延性。

关键：框架结构抗震设计短柱

中图分类号：TU973+.31 文献标识码：A 文章编号：

引言

框架结构的建筑平面布置灵活、适用性强是它的突出优点。在框架结构中，柱作为承重的竖向构件，承担着整个结构的竖向荷载和水平力引起的附加荷载。一旦破坏，危及着整栋建筑的安全。由于柱的受力情况比较复杂，且延性较差，故框架柱的抗震设计尤为重要。

在框架结构中，震害的发生多数是由于其延性和强度不足。大量的实事证明，框架结构的震害一般是：柱的震害重于梁，角柱的震害重于一般柱。这一现象也在汶川地震中得以证实。所以在框架结构抗震设计中，一般遵守强柱弱梁、强剪弱弯、避免节点和锚固的过早破坏，增大构件延性和耗能能力的原则，所谓强柱弱梁，是从柱与梁的相对承载能力来说，柱的承载能力应大于梁的承载能力，使塑性铰尽可能都发生在梁上，也就是要尽可能实现总体屈服机制。

柱的常见破坏形式

弯曲破坏：大量的实验资料和震害实例表明，框架柱的破坏类型有：由于柱子的纵筋配置不足，在弯矩作用下，柱子将会出现弯曲破坏，产生周围的水平裂缝，裂缝一般比较小。

剪切破坏

柱在往复水平地震力作用下，会出现斜裂缝或交叉裂缝，裂缝宽度较大，属于脆性破坏，其原因：一方面柱子抗剪强度不足会造成柱身的剪切破坏，另外一方面，由于使用功能或建筑造型的需要，框架常有错层或不到顶的填充墙。这样使柱子的变形受到约束，导致柱的计算长度变小，从而剪弯比变小，也会导致剪切破坏。

压弯破坏柱子在轴力和弯矩作用下，混凝土压碎剥落，主筋压曲成灯笼状，造成压弯破坏。柱子轴压比过大，主筋配置不足，箍筋过稀等，都会导致压弯破坏。压弯破坏大多出现在梁底与柱顶的交接处。同剪弯破坏一样，压弯破坏也属于脆性破坏，难以修复。值得注意的是，箍筋在施工时，由于端部接口处弯曲角度不足，这样箍筋的端部接口仅仅锚固在混凝土的保护层中，在地震的反复作用下，混凝土保护层脱落，箍筋进开失效，使混凝土柱和纵筋失去约束，从而导致柱子破坏。

柱子抗震设计要点

控制柱子最小截面尺寸和截面高宽比以及梁柱的偏心距

柱截面尺寸过小，会使框架侧移刚度不足；截面高宽比过大，将导致框架结构两个方向侧移刚度相差较大，且不利于柱短边方向的稳定。此外，框架柱中心线与框架梁中心线之间偏心较大，在地震作用下，将导致节点核心区受剪面积不足，并会带来不利的扭转效应，也会给柱造成应力集中的不利影响。

控制轴压比

现代工程设计中，整体框架设计采用了计算机程序辅助设计，首次输入结构平面时，按经验估算柱截面，导荷后经计算机运算，便可得到各个柱在地震作用组合下的内力情况，这时在根据各柱轴力以及规范对柱轴压比的规定，通过手工计算。确定各柱在各层所需要的截面，然后上机调整结构平面中的各层柱截面，就能得到一个比较准确的结果。轴压比是控制柱的轴向压力N与混凝土轴心抗压强度的比值，表示为： n=N/(fc*A)

式中：n为柱所受压力；A为柱截面面积：fc为混凝土轴心抗压强度设计值。

轴压比是影响柱的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。轴压比对短柱的影响更大；在长柱中，轴压比越大，混凝土受压区高度越大。压弯构件会从大偏压破坏向小偏压破坏过渡，小偏压破坏的延性很小或者没有延性；在短柱中，轴压比增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。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．框架柱的抗震设计一般应在大偏心受压破坏范围。以保证有一定的延性。

3．控制剪跨比

剪跨比是判别抗侧力构件抗震性能的重要指标，也是影响钢筋混凝土柱破坏形态的最重要因素。考虑到框架柱中的反弯点大都接近中点，为设计方便，常常用柱的长细比近似表示剪跨比的影响。在高层建筑结构中，柱的剪力比较大，因此在高层建筑结构计算中，无论是

抗震结构，还是非抗震结构，都应作抗剪承载力验算。新抗震规范中规定框架柱的净高与截面高度比宜大于4，所以抗震结构在确定方案和结构布置时，就应尽量避免短柱，特别是在同一层中同时存在长柱和短柱的情况．

4改善短柱抗震性能的措施

4．1短柱的正确判定

工程界许多程技术人员以柱净高H与截面高度h之比H／h≤4来判定短柱，这是一个值得注意的问题。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ=M／Vh≤2的柱才是短柱，而柱净高与截面高度之比H／h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于2。亦即不一定是短柱。按H／h≤4来判定的主要依据是：①λ=M／Vh≤2：考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点，取M=O．5vH，则Z=M／Vh=o．5VH／Vh=o．5H／h≤2，由此即得H／h≤4。但是，对于高层建筑，梁、柱线刚度比较小，特别是底部几层，由于受柱底嵌固的影响且梁对柱的约束弯矩较小，反弯点的高度会比柱高的一半高得

多，甚至不出现反弯点，此时不宜按H／h≤4来判定短柱，而应按短柱的力学定义——剪跨比λ=M／Vh≤2来判定才是正确的。

4．2改善短柱的抗震性

当按剪跨比λ判定柱子确定为短柱后，就应当尽量提高短柱的承载力，减小柱的截面尺寸，采取各种有效措施提高短柱的延性．改善短柱的抗震性能。

⑴．使用复合螺旋箍筋。高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限和“强剪弱弯”要求的，柱端的抗弯承载力也是应该满足“强柱弱梁”要求。对于短柱。只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求，足能够做到使不发生剪切型破坏的。因此，使用复合螺旋箍筋来提高柱子的抗剪承载力，善对砼的约束作用，能够达到改善短柱抗震性能的目的。

⑵．采用分体柱。由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多，在地震用下往往是因剪坏而失效，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度，这样，在地震作用柱子首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。

⑶．采用钢管砼柱。钢管砼是由砼填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构料，是套箍砼的一种特殊形式。由于钢管内的砼受到钢管的侧向约束，使得砼处于三向受压状态，从而使砼的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，砼特别是高强砼的延性得到显著改善。同时，钢管既是纵筋，又是横向箍筋，其管径与管壁厚度的比值至少都在90以下，这相当于配筋率至少都在4．6％以上，这远远超过抗震规范对钢筋砼柱所要求的最小配筋率限值。

结语

建筑结构的抗震设计是一个完整、系统的过程，从场址的选择到建筑物的结构设计，抗震设计贯穿整个过程。而且建筑物的抗震设计是衡量建筑结构设计是否符合要求的重要指标。因此如何准确、合理的运用不同的抗震设计方法，是非常重要的，对于不同的建筑，不同的情况应区别对待，从而寻求最合理设计方法。

参考文献：

建筑抗震设计规范 GB 50011-2010

赵西安 编著 钢筋混凝土高层建筑结构设计 中国建筑工业出版社

高立仁 方鄂华 钱家茹译 编著 高层建筑结构概念设计 中国建筑工业出版社