钢筋混凝土短柱的抗震设计研究

摘 要：随着大跨度和高层结构的发展以及建筑错层、设备层和地下车库结构的需要，短柱的出现不可避免。结构中短柱的剪切破坏是造成结构破坏，甚至引起结构倒塌的主要原因。本文介绍了钢筋混凝土短柱的判别方法，并分别从构件材料性能、抗震构造措施、非传统柱截面形式3个方面采取措施，来增强钢筋混凝土短柱的延性和抗剪承载力，提高短柱的抗震性能，从而避免脆性破坏危及结构安全。

关键词：钢筋混凝土短柱剪切破坏延性抗剪承载力

Abstract: This article describes the discrimination method of reinforced concrete short columns, taken the measures from the component material properties, seismic structural measures, non-traditional forms of column cross section, to enhance the ductility and shear capacity of reinforced concrete short columns, to improve short columns seismic performance, in order to avoid brittle failure jeopardize the structural safety.

Key words: reinforced concrete short columns with shear failure to ductile shear capacity

一、引言

近年来，随着建筑结构跨度加大，层数增多，高度升高，以及对特殊建筑功能、美观等的要求，使结构所承受的荷载加大，特别是框架底层柱所承担的竖向轴力增大，为满足《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）对构件延性的要求，必须把柱子的轴压比控制在限值以内，这必然就使柱子的截面增大，从而造成短柱。在正常使用中不容易暴露短柱潜在的危害，它对承担竖向荷载并没有影响，而在强烈地震作用下容易发生剪切脆性破坏从而造成结构突发性破坏甚至倒塌，并且毫无预兆。

二、短柱的判断

据规范规定，柱净高Hn与截面高度h之比Hn/h≤4为短柱，大多数工程设计人员也都据此来判定短柱，简便而易得，这只是一种简化方法并不一定准确，只有在反弯点位于或接近柱中部的时候才有效。确定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，按λ=Hn/h≤4来判定是因为框架柱反弯点大都靠近柱中点，因此可取M=0.5VHn，λ=M/Vh=0.5VHn/Vh

=0.5Hn/h≤2,由此即得Hn/h≤4。对于高层建筑结构为实现“墙柱弱梁”，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，因而反弯点的高度会比柱高的一半高得多，甚至不出现反弯点，此时则不宜按Hn/h≤4来判定短柱，而应按照短柱的力学定义―剪跨比λ=M/Vh≤2来判定才是正确的。

三、改善钢筋混凝土短柱抗震性能的若干措施

在地震作用下，短柱的破坏主要是剪切破坏或粘着型破坏，但这两种破坏形式都属于脆性破坏，突然发生，毫无预兆，结构延性差，耗能能力低，对抗震很不利。因此，当建筑结构中不可避免地出现短柱时，在实际工程中可以从以下3个方面入手改善短柱的抗震性能。

1 改善构件材料性能

（1）采用高强度混凝土

提高混凝土强度等级可以在一定程度上提高柱子的抗压能力和抗剪能力，在不加大截面尺寸的情况下提高轴压比。低等级混凝土强度的提高对柱受剪承载力提升明显，但随强度等级提高相互间轴心受拉强度的提高比例变小，如在C20~C30之间，C30~C40和C40~C50之间的值分别相差30%，19.6%和10.5%。当混凝土强度等级超过C60以后，强度等级的提高对抗剪能力的影响变小，混凝土的极限压应变变小，变形能力差，对构件的延性将不利。

（2）采用钢纤维混凝土

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。这些乱向分布的钢纤维能有效阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，较之普通混凝土，抗拉强度提高40%~80%，抗弯强度提高60%~120%，抗剪强度提高50%~100%，显著地改善了混凝土的抗剪性能，又具有较好的延性。尤其是与高强度混凝土结合后能够有效改善短柱的抗震性能，缺点是造价较高且施工工艺复杂。

2 改善抗震构造措施

（1）采用井字复合箍、复合螺旋箍或连续复合矩形螺旋箍

复合配箍形式主要通过加强对柱子核心混凝土的约束，提高混凝土的抗压强度，从而改善短柱的承载力和延性，可提高极限变形角15%~25%。在实际工程中，单纯地加密箍筋并不能无限度的提高短柱的抗剪能力，并可能会由于剪压比过大而导致柱子受压区混凝土压溃发生脆性破坏。在设计时，应该选择合理的配箍率避免发生延性较差的剪压破坏。

（2）柱中配置“X”主筋

在梁端弯起筋抗剪作用的启发下，可在柱中沿对角线纵向配置“X”形主筋，“X”主筋的竖向分力可承担竖向应力，而水平分力可承担外剪力，自身在柱两端又都是受压或受拉，可自相平衡，从而降低了柱子的剪压比，实现了“强剪弱弯”的设计思想。“X”主筋与高强混凝土和复合螺旋箍筋结合使用，可显著提高短柱的抗剪承载力和变形能力，是改善高强混凝土短柱抗震耗能能力的有效手段。

（3）柱中设置芯柱

芯柱就是在框架柱截面中芯1/3左右的核心部位集中配置附加纵向钢筋及箍筋而形成的内部加强区域。芯柱加强了对脆性较大的高强混凝土的约束作用，可减小柱子截面尺寸，具有良好的延性和耗能能力，能够有效地改善短柱在高轴压比情况下的抗震性能。芯柱与高强高性能混凝土结合使用抗震效果良好。

3 采用非传统柱截面形式

（1）钢管混凝土柱

钢管混凝土柱就是把混凝土灌入钢管中并捣实而形成的一种新型组合结构。这种结构中，混凝土的填充，提高了钢管的刚度，防止了钢管的局部屈曲失稳，提高了承载能力；钢管的约束，使混凝土在受压区形成塑性“压铰“，由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性明显改善。

（2）钢骨混凝土柱

钢骨混凝土结构是以型钢为骨架外包混凝土的埋入式组合结构，简称SRC。这种结构中，将型钢置于柱中可增强柱子的承载能力，减小混凝土柱截面，与箍筋配合约束混凝土，改善其延性；混凝土则兼做受力和保护层双层作用，同时提高了钢骨的整体稳定性和钢板的局部稳定性。与钢筋混凝土柱相比，钢骨混凝土柱可使柱截面面积减小30%~40%，对短柱的抗剪性能有较大提高。

四、结论

大量震害表明，短柱剪切破坏的现象比较严重，是一种对抗震不利的结构。解决钢筋混凝土短柱问题的方法已有很多，在实际工程中，设计人员应根据具体的工程情况，合理选择短柱的处理方案，并综合采取一些构造措施来提高结构体系的延性，确保建筑物真正做到“大震不倒，中震可修，小震不坏”的抗震原则。相信随着新型建筑材料、新工艺和结构形式的发展，将会有更多更好的方法应运而生，使抗震设计做到更安全、更适用、更经济。

参考文献

[1] GB50011-2010.建筑抗震设计规范.中国建筑工业出版社，2010

[2] 李志业.钢纤维混凝土强度、变形和韧性的试验研究.铁道学报，1998

[3] 李国胜.混凝土结构设计禁忌及实例.中国建筑工业出版社，2007

[4] 林海.钢管混凝土结构.科学出版社，2003

作者简介：张智（1980-），男，中级工程师

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。