高層建筑各類柱的選擇及應(yīng)用

高層建筑各類柱的選擇及應(yīng)用【摘要】高層建筑剪跨比是柱子設(shè)計(jì)的重要概念。反映了柱截面上彎曲應(yīng)力與剪切應(yīng)力的比例關(guān)系。同軸壓比相比較剪跨比對(duì)框架柱的破壞特征起關(guān)鍵作用。本文柱子截面形式及應(yīng)用分析探討?！娟P(guān)鍵詞】高層建筑柱；剪跨比；普通砼柱；型鋼砼柱；鋼管砼柱現(xiàn)行的“高層建筑砼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”jgj3――2002中規(guī)定了鋼筋砼框架柱的軸壓比限值，目的是使柱子在包括地震力作用時(shí)，在多種荷載效應(yīng)組合作用組合下處于大偏心受壓狀態(tài)，只產(chǎn)生延性較好的受拉破壞而不是脆性的受壓破壞，具有較大的屈服以后變形能力和耗能，具有良好的延性及抗震性能，這即是軸壓比的基本概念。而剪跨比也是高層建筑柱子設(shè)計(jì)的重要概念。其反映了柱截面上彎曲應(yīng)力與剪切應(yīng)力的比例關(guān)系。同軸壓比相比較剪跨比對(duì)框架柱的破壞特征起關(guān)鍵作用。資料介紹表明:在正常配筋情況下，當(dāng)剪跨比入＞2時(shí)框架柱在橫向水平剪力作用下，一般都會(huì)發(fā)生延性彎曲破壞；當(dāng)入＜2時(shí)框架柱就變成了短柱，在橫向水平剪力作用下一般都會(huì)發(fā)生脆性的剪切破壞。規(guī)程中表6.4.2條注3規(guī)定，剪跨比1.5〈入＜2時(shí)，其軸壓比限值應(yīng)比表中數(shù)值減小0.05,剪跨比入〈1.5,其軸壓比限值應(yīng)專門考慮并采取更加有效的措施處理。高層建筑的房屋高度大，層數(shù)多，柱子底部數(shù)層的軸向力大，因此首先要滿足柱子軸壓比要求。由于行業(yè)規(guī)程對(duì)軸壓比限制很嚴(yán)，要達(dá)到規(guī)程要—論文發(fā)表專家—ED國(guó)尋朮發(fā)罷網(wǎng)www.qikanwang,net求柱子截面往往比較大。柱子截面比較大會(huì)帶來許多問題。如增加了結(jié)構(gòu)的自重，加重地震應(yīng)力；容易形成短柱甚至更短柱子，易產(chǎn)生脆性破壞；占據(jù)寶貴的建筑面積，影響到使用功能。當(dāng)高層建筑設(shè)有設(shè)備層時(shí)，因設(shè)備層層高偏小，而設(shè)備層柱子的截面尺寸變化小或者不變化，往往會(huì)形成短柱的現(xiàn)象，使柱發(fā)生脆性剪切破壞；同時(shí)造成設(shè)備層上下層側(cè)向剛度差異的加大，甚至使結(jié)構(gòu)形成薄弱層或軟弱層。因此，根據(jù)建筑物使用特點(diǎn)的不同要求，選擇適宜的柱子形式和合理的截面尺寸，經(jīng)濟(jì)適用的做好柱子的構(gòu)造設(shè)計(jì)，避免和減少短柱和形成結(jié)構(gòu)薄弱層，使建筑物具有較好的延性和抗震性，這也是多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中極其重要的一個(gè)具體問題。建筑柱子的分類現(xiàn)在多高層建筑中可以采用的柱子截面形式大約有下列幾種：（1）普通鋼筋砼柱；（2）高強(qiáng)度鋼筋砼柱；（3）配有螺旋箍筋的鋼筋砼柱；（4）增加芯柱的鋼筋砼柱；（5）鋼筋砼分體柱；（6）型鋼砼柱；（7）鋼管砼柱子等。各種類型優(yōu)缺點(diǎn)如下淺述。普通鋼筋砼柱鋼筋砼柱的設(shè)計(jì)及使用，一般是根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，來確定柱子的軸壓比例。由此初選柱子的截面尺寸，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析，構(gòu)件內(nèi)力組合和配筋計(jì)算以及構(gòu)造設(shè)計(jì)等。對(duì)于多層及高層建筑的

—論文發(fā)表專家—ED國(guó)尋朮發(fā)罷網(wǎng)www.qikanwang,net底層柱，應(yīng)首選普通鋼筋砼柱合適。因柱子的軸向力不是很大，許多情況下柱子要滿足規(guī)范要求的軸壓比限值，截面尺寸又不是很大。高層一般為30層左右的高度，砼用c50級(jí)即可，能滿足使用要求。普通鋼筋砼柱是現(xiàn)在高層建筑中，使用柱子類型最多的一種，由于應(yīng)用廣泛大家熟悉，不再淺介。高規(guī)中對(duì)普通鋼筋砼柱軸壓比限值的規(guī)定，見表1示。高強(qiáng)度鋼筋砼柱從柱軸壓比計(jì)算公式可知，當(dāng)n（軸壓力）.“（軸壓比）一定時(shí)，要減小a（截面尺寸）.可加大fc（砼強(qiáng)度等級(jí)），即采用高強(qiáng)鋼筋砼柱，設(shè)計(jì)方法同普通鋼筋砼柱相同。分析對(duì)比可知，與c40砼相比采用c60-c80砼，可減少柱截面1/4~1/3的優(yōu)良效果，目前許多高層建筑底部柱多采用c60砼。但是高強(qiáng)度砼的延性較差，容易使柱子出現(xiàn)脆性破壞。一般規(guī)律是砼強(qiáng)度越高其延性越差，要配制多一些箍筋約束砼脆裂，才可使柱具有較好延性和抗震性。規(guī)程中表6.4.2注2規(guī)定：當(dāng)砼強(qiáng)度等級(jí)為c65-c70時(shí)，軸壓比限制要比表中值減小0.05；當(dāng)砼強(qiáng)度等級(jí)為c75-c80時(shí)，軸壓比限制要比表中值減小0.10。這就不同情況下降低了高強(qiáng)砼減小柱截面了尺寸的效應(yīng)。同時(shí)在長(zhǎng)期荷載下柱子的徐變也較大，可以不采納和使用。現(xiàn)在高層建筑用c65以上高強(qiáng)砼澆筑柱子是不多的。配有螺旋箍筋的鋼筋砼柱砼柱處于三向受壓狀態(tài)，不僅要提高其強(qiáng)度更要提高其延性。配

—論文發(fā)表專家—ED國(guó)尋朮發(fā)罷網(wǎng)www.qikanwang,net有螺旋箍筋的鋼筋砼柱正是利用了砼的這個(gè)特性?，F(xiàn)行規(guī)范雖然末給出柱的承載力計(jì)算和設(shè)計(jì)方法，但對(duì)于其提高高規(guī)表6.4.2注4中的規(guī)定是:當(dāng)沿柱全高采用井字復(fù)合箍，且箍筋肢距不大于200mm.間距不大于100mm.直徑不小于12mm.軸壓比限值可增加0.10；當(dāng)沿柱全高采用復(fù)合螺旋箍筋，且箍筋肢距不大于200mm.螺距不大于80mm.直徑不小于10mm.軸壓比限值可增加0.10。從這個(gè)規(guī)定可以看出，按增大后的軸壓比也可以減小柱子截面。但必須注意的是:柱子長(zhǎng)細(xì)比lo/h應(yīng)該小于8；柱端箍筋加密區(qū)最小配筋率應(yīng)按增大后的軸壓比確定，即增大配筋率使其更有效約束砼。配有螺旋箍筋的鋼筋砼柱的不足之處是，用螺旋箍筋制作困難較多，施工速度慢。而方柱的約束效果不如圓柱好。這也會(huì)影響到配有螺旋箍筋的鋼筋砼柱應(yīng)用普及和廣泛?jiǎn)栴}。增加芯柱的鋼筋砼柱如果用縱向鋼筋代替型鋼配置在柱子的核心區(qū)。經(jīng)試驗(yàn)表明與普通鋼筋砼柱比較，核心部位配制鋼筋柱的承載力變化不大，但具有良好的耗能能力，延性卻大大得到提高。核心部位配置鋼筋可以減少柱截面尺寸，改善高壓比下框架柱的性能。高規(guī)表6.4.2注5規(guī)定:當(dāng)柱截面中部設(shè)置由附加縱向鋼筋形成的芯柱，且附加縱向鋼筋的截面面積，不小于柱子截面面積的0.8%時(shí)，軸壓比限值可以比表中數(shù)值增大0.05，當(dāng)本要求與注4的規(guī)定共同—論文發(fā)—論文發(fā)表專家—E國(guó)尋朮凌垂網(wǎng)采用時(shí)，軸壓比限值可以比表中數(shù)值增大0.15，但入 v仍按軸壓比增加0.10的要求處理。設(shè)置了芯柱可以減小柱截面面積，對(duì)施工也提供了便利，尤其用在高層建筑的下層，柱子處理的效果更好，但對(duì)Av<2的短柱也并不適應(yīng)。鋼筋砼分體柱用鋼筋砼分體柱的特點(diǎn)是采用隔板將整個(gè)截面沿柱短方向，分為等截面的單元柱并分別配筋。單元柱之間應(yīng)有隔板作為填充材料。設(shè)有分體柱結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算是將分體柱剛度，取為外包尺寸相同的整截面柱剛度的0.7倍，按整截面柱的設(shè)計(jì)方法計(jì)算，其層間位移限值應(yīng)符合整截面柱結(jié)構(gòu)的限值進(jìn)行。對(duì)于分體柱的截面設(shè)計(jì)是:正截面承載力各單元柱平均分擔(dān)mc.nc，按砼規(guī)范偏壓構(gòu)件計(jì)算。斜截面承載力各單元柱平均分擔(dān)vc,按砼規(guī)范剪壓柱計(jì)算。分體柱軸壓比計(jì)算：軸壓比也是各單元柱平均分擔(dān)nc，其值應(yīng)滿足抗震規(guī)范對(duì)于整截面柱軸壓比限值的要求。而柱的構(gòu)造要求是:柱上下端應(yīng)留有整截面過渡區(qū)，過渡區(qū)域內(nèi)箍筋應(yīng)采用井字復(fù)合箍，且箍筋外肢直徑應(yīng)比內(nèi)肢直徑大2mm。由于分體柱的截面尺寸僅是整截面柱截面尺寸的1/2，而柱的凈高度不變，就可以有效的解決短柱的存在問題，同時(shí)在一定程度上緩解上下層側(cè)向剛度差異較大問題。因此分體柱適合用于高層建筑

—論文發(fā)表專家—E國(guó)尋朮炭衣網(wǎng)www的框架，框架——剪力墻以及框支剪力墻結(jié)構(gòu)，剪跨比入〈1.5的短柱。如果在層較低的設(shè)備層采取分體柱，會(huì)避免使用短柱，改善設(shè)備層上下層因側(cè)向剛度差異過大，避免形成結(jié)構(gòu)薄弱層和軟弱層現(xiàn)象。而分體柱不能減小相應(yīng)整截面柱截面尺寸，同時(shí)分體柱對(duì)隔板用材料，施工過程的控制也較高，現(xiàn)階段工程的實(shí)際應(yīng)用也少。型鋼砼柱在鋼筋砼柱內(nèi)配置型鋼的含量達(dá)5%以上，使型鋼骨架和鋼筋砼結(jié)合為一體，共同受力和工作，這就是型鋼砼柱的做法。型鋼砼柱既具有鋼筋砼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，又具備鋼結(jié)構(gòu)的特性。其剛度大承載力高，具備優(yōu)良的延性和抗震性能，防火性也好。型鋼砼柱的軸壓比應(yīng)按下式計(jì)算:|J二n/(fcac+faaa)高規(guī)中還規(guī)定了型鋼砼柱的軸壓比限值，見表2。1.框支柱的軸壓比限值應(yīng)比表中數(shù)值減少0.10。2.剪跨比不大于2的柱，其軸壓比限值應(yīng)比表中數(shù)值減少0.05。3.當(dāng)砼強(qiáng)度等級(jí)大于c60時(shí)，表中數(shù)值減少0.05。由于柱內(nèi)配置的型鋼骨架參于受壓，因而型鋼砼柱若是減小柱子截面尺寸效果很明顯。在相同外力作用時(shí)與鋼筋砼柱相比，可以使柱截面尺寸減小40%左右。同時(shí)不但能提高柱軸心受力，小偏心受力的承載力，還可以提高大偏心受力柱的承載力，對(duì)Av<2的短柱抗剪效果也很好。當(dāng)建筑房屋高度大，柱間距也大，柱中軸力很大時(shí)，抗震等級(jí)如是特一級(jí)的鋼筋砼柱，優(yōu)先選擇用型鋼砼柱?，F(xiàn)在型鋼砼柱多數(shù)用在高層建筑的下層部位，轉(zhuǎn)換層以下的框支柱，也有的工程全部采用型鋼砼梁柱，如北京的財(cái)富中心，上海的金茂大廈等。而型鋼砼柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)構(gòu)造比較復(fù)雜，框架梁縱向受力鋼筋必須穿越型鋼骨架腹板，對(duì)型鋼骨架的制作，安裝質(zhì)量要求是很嚴(yán)的，施工過程控制也復(fù)雜嚴(yán)格。鋼管砼柱在鋼管砼內(nèi)澆筑砼使鋼管和管中砼形成整體，共同工作和受力，這就是鋼管砼柱的不同構(gòu)造形式。鋼管砼柱可以使鋼管內(nèi)的砼處于有效的側(cè)向約束力，形成三向應(yīng)力狀態(tài)，因而能大幅度提高柱子的抗壓承載力，同時(shí)抗剪強(qiáng)度和抗扭轉(zhuǎn)承載力也能提高一倍。鋼管砼受壓破壞屬于延性破壞，具有優(yōu)良的延性和抗震性能，其剛度大，截面小，防火性勝過鋼結(jié)構(gòu)。鋼管砼減小柱子截面尺寸極其明顯，如鋼管內(nèi)澆筑高強(qiáng)砼，可以使柱截面減小到原截面的1/2以上。鋼管砼柱的鋼管外徑不能小于100mm，壁厚度不少于4mm,徑厚比要取70左右，套箍指標(biāo)0應(yīng)控制在0.3?3.0之間。鋼管砼柱多用在高度大，柱中軸力很大的高層建筑物的底部柱效果最好。當(dāng)抗震等級(jí)為特一級(jí)鋼筋砼柱時(shí)，采用鋼管砼柱最合適?！撐陌l(fā)表專家—ED國(guó)尋朮發(fā)罷網(wǎng)www.qikanwang,net近年來整個(gè)結(jié)構(gòu)采用鋼管砼柱的高層建筑比較多，如廣州的新中國(guó)大廈，深圳的賽格廣場(chǎng)等建筑。但鋼管砼柱的缺點(diǎn)也不容忽視，梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，少數(shù)鋼管砼柱與鋼筋砼梁的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造還不能滿足8度設(shè)防的抗震性能要求，需要進(jìn)一步改進(jìn)完善，對(duì)鋼管的制作和安裝技術(shù)要求和質(zhì)量控制也是極嚴(yán)格的。從上述對(duì)各種類型的柱子簡(jiǎn)單分析介紹可以看出:高層建筑底部幾層林子的主要問題，是如何想辦法減小柱子的截面尺寸問題，在滿足規(guī)范軸壓比限值的前提下，有效減小其截面積尺寸，同時(shí)就減輕了結(jié)構(gòu)的自重。要避免形成短柱，其它不再是關(guān)注的問題。采用高強(qiáng)度砼，配有螺旋箍筋的鋼筋砼柱，型鋼砼柱及鋼管砼柱，增加鋼筋砼芯柱的方法均可不同程度的減小柱子截面尺寸。為更有效地滿足高層建筑不同情況下柱子的強(qiáng)度和剛度要求，在具體應(yīng)用時(shí)可將不同類型柱子進(jìn)行組合，使其充分發(fā)揮各自的長(zhǎng)處而克服不足。如把型鋼砼柱中的型鋼改為鋼管，成為以鋼管為芯柱的型鋼砼柱，這種柱子具有一些如下優(yōu)點(diǎn):（1） 核心鋼管對(duì)其管內(nèi)高強(qiáng)砼的可靠約束，使這類柱子比相同截面尺寸的型鋼砼柱或增設(shè)砼芯柱，具有更高的整截面承載力和更好的延性。（2） 核心鋼管的存在了增強(qiáng)了柱子抗剪承載力，提高了框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪強(qiáng)度。（3） 避免鋼管砼柱框架的