钢筋混凝土结构中短柱的成因及防治

1、钢筋混凝土结构中短柱的成因及防治    摘要：为保证短柱结构的安全, 在设计施工中应严格执行国家建筑抗震设计规范, 采取切实可行的构造措施, 防止短柱破坏, 在施工中遇到用户提出修改设计出现短柱问题时, 应及时进行妥善处理, 有针对性地采取措施, 保证结构安全。本文探讨了钢筋混凝土结构中短柱的成因及防治。 关键词：钢筋混凝土；结构；短柱；成因；防治 中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号： 在多层及高层钢筋混凝土框架结构中，经常会出现短柱，甚至是极短柱。在建筑物遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震时，短柱很容易发生剪切破坏而造成主体结构破

2、坏，甚至倒塌，违反了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设防要求。因此，为了避免短柱发生脆性破坏，要提高短柱的延性和抗震性能。 一、短柱的定义 钢筋混凝土框架的短柱是指柱的净高与截面长边尺寸之比小于4的柱, 即H 0: h0 < 4 (H 0 为层间柱的净高, h0为柱截面有效高度)。抗震规范中是用剪跨比K来定义短柱K= M /Vh0, 1. 5 < K 2. 0时为短柱, K 1. 5时为极短柱, (式中:M 为柱端截面组合的弯矩计算值; V为对应的截面组合剪力计算值)。长柱一般发生弯曲破坏; 短柱多数发生剪切破坏; 极短柱发生剪切斜拉破坏。短柱的剪切破坏属于脆性破坏。在实际

3、工程中出现短柱的原因有2大类, 一是工程设计中的问题, 二是施工中改变原设计。 二、钢筋混凝土结构中短柱的成因 钢筋混凝土框架的短柱是指柱的剪跨比小于4 的柱, 即H o/ ho < 4 (H o为层间柱的净高,ho 为柱截面的高) 。短柱的破坏状态为脆性破坏。 在实际工程中出现短柱的原因可分为两大类, 一是工程设计中的问题, 包括新建钢筋混凝土房屋的抗震设计和原有钢筋混凝土房屋的加固设计, 二是施工中改变原设计等。 1、抗震设计中出现短柱的情况 (l) 在新建钢筋混凝土框架结构的设计中, 由于柱网布置不合理, 使少量的框架柱承受的竖向荷载过大,为了控制柱的轴压比在一定的范围内而采取较大

4、的柱截面; 还有的因柱混凝土强度等级偏低导致柱的截面偏大等。另外，楼梯间位置由于梯梁对框架柱的约束也会形成短柱。 (2) 在原有钢筋混凝土框架房屋的抗震加固中, 不适当地采用外包钢筋混凝土柱截面, 使柱的净高与柱截面高度之比小于4 而形成短柱。 ( 3) 在7 度区的八层以下的和8 度区的五层以下的新建钢筋混凝土框架房屋中, 可以考虑填充墙的抗侧力作用; 而对未设防的这些层数范围内的钢筋混凝土框架房屋的抗震加固, 也可采用后填砖抗震墙形成框架填充墙体系的加固方法, 但由于设计不合理, 不能形成后加填充墙与框架梁、柱的整体连接, 而形成短柱。 2、施工中短柱的成因 (1)施工中对钢筋混凝土框架中

5、的非结构构件与主体结构构件的连接处理不当。如外纵墙墙体与框架柱的连接，在设计图纸中为柔性连接，但在施工中采用了刚性连接；而且外纵墙又多为窗下裙墙，其刚性连接使得框架柱在窗台标高处形成了一个刚性支承而形成短柱。由于设计不合理形成的短柱，一般都按建筑抗震设计规范采取了沿柱全高箍筋加密；而施工不当所造成的短柱，则连沿柱全高箍筋加密都没有做到，因此，这种因施工不当而形成的短柱更为危险，其隐患更大。 (2)多跨厂房内部不恰当地用砖墙分割也是形成短柱的原因。有些多跨厂房在原设计中并没有嵌砌于排架柱的内纵墙，在使用过程中有时出现2个车间共同使用一个多跨厂房等，有的厂房则再用砖砌15 m左右嵌砌于排架柱的墙，

6、致使排架柱在纵向的嵌砌墙高以上范围内形成短柱，在地震作用下，将加重厂房的纵向破坏。 三、钢筋混凝土结构中短柱的防治 1、 如何避免短柱的出现及破坏 钢筋混凝土框架中的短柱，其破坏状态为脆性，其抗震性能比较差，在新建钢筋混凝土房屋的抗震设计和现有钢筋混凝土房屋的抗震加固中应尽量避免；在施工中应杜绝不符合设计思想而形成的短柱，只有这样才能从根本上提高钢筋混凝土房屋的抗震性能和工程质量。如果同一楼层中均为短柱(如高层建筑的设备层)，各柱之间抗侧刚度不很悬殊，这种情况下按规范进行内力分析和截面设计构造，结构安全是可以保证的。所以应避免在同一楼层中出现少量短柱，对于不可避免的短柱，应采取构造措施提高其延

7、性。 2、短柱的抗震设计 当按剪跨比判定柱子不是短柱时, 按一般框架柱的抗震要求采取构造措施即可; 确定为短柱后, 就应当尽量提高短柱的承载力, 减小短柱的截面尺寸,采取各种有效措施提高短柱的延性, 改善短柱的抗震性能。 ( 1) 使用复合螺旋箍筋。框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和“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”要求的。对于短柱, 只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求, 是能够做到使其不发生剪切型破坏的。采用复合螺旋箍筋主要是提高柱体的受剪承载力, 使混凝土在反复循环受剪后, 不致剪切滑移, 改善其变形能力。这是因为复合螺旋箍筋加强了箍筋对混凝土的约束作

8、用, 提高了柱核心混凝土的抗压强度, 增大了其极限压应变, 从而改善了柱的延性和耗能能力。 ( 2) 符合抗震构造措施: 在此仅将短柱需特别注意的地方提出来, 其它未尽之处应满足抗规中关于框架柱的抗震构造要求。纵筋要求: 宜对称配置, 且每侧的配筋率不宜大于1. 2% ( 一级) , 5抗规6. 3. 8; 箍筋直径及间距要求: 最低四级抗震时, 直径应不小于8 mm;且应全高加密, 间距及直径满足抗规表6. 3. 7- 2的要求且间距不大于100 mm, 肢距不大于200 mm;体积配箍率要求: 体积配箍率不应小于1. 2% 且同时应满足抗规第6. 3. 9 条不小于f c / f yv 的

9、要求; 轴压比限值: N / f cA 应满足抗规表6. 3. 6 要求; 当采用PKPM软件电算时, 截面的受剪承载力已经验算, 但抗震构造措施设计需人工加强, 特别需要注意的是箍筋,除全高加密外, 体积配箍率应满足要求。 ( 3) 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, 在地震作用下往往是因剪切而失效, 其抗弯强度不能完全发挥。因此, 可人为地削弱短柱的抗弯强度, 使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度, 采用分体住就是这一目的，这样, 在地震作用下, 柱子将首先达到抗弯强度, 从而呈现出延性的破坏状态。 ( 4) 采用型钢混凝土柱。型钢混凝土柱是在型钢外包普通钢筋混凝土而形成的

10、组合结构。型钢通常采用扎制或由钢板焊接拼制而成的工字形、口字形、十字形截面。由于型钢混凝土柱充分发挥了钢与混凝土两种材料的特点, 具有截面尺寸小、自重轻、延性好及经济效率高等特点, 如果在高层或超高层钢筋混凝土结构下部的若干层采用钢骨混凝土柱, 可大大减小柱的截面尺寸, 显著改善结构的抗震性能。 ( 5) 采用钢管混凝土柱。钢管混凝土是将混凝土填入钢管内而形成的组合结构, 是套箍混凝土的一种特殊形式。常见的有圆钢管混凝土和方钢管混凝土, 在轴心受压荷载作用下, 混凝土三向受压, 延缓了受压时的纵向开裂; 另一方面, 混凝土的存在可以避免或延缓薄壁钢管过早地发生局部屈曲。因此, 通过两种材料组合

11、相互弥补了彼此的弱点, 充分发挥彼此的长处, 从而使钢管混凝土具有很高的承载力, 大大高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土承载力之和, 并且使混凝土的塑性和韧性性能大为改善。与传统的钢筋混凝土结构相比它具有承载力高、重量轻、塑性韧性好、耐疲劳、耐冲击、施工方便及经济效率高等诸多优点。 总之，为保证短柱结构的安全, 在设计施工中应严格执行国家建筑抗震设计规范, 采取切实可行的构造措施, 防止短柱破坏。 在施工中遇到用户提出修改设计出现短柱问题时, 应及时进行妥善处理, 有针对性地采取措施, 保证结构安全。 参考文献： 1 张科. 多层建筑结构设计中框架结构的问题分析与处理J. 科技资讯, 2009,(18) . 2 许淑芳,姜维山. 钢筋混凝土框架结构抗震加固基本原