厂房中高强混凝土框架柱轴压比限值的研究
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第３４卷第２期 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报（自然科学版）
２００２年６月 Ｊ．Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ａｒｃｈ．＆Ｔｅｃｈ．（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．３４ ＮＯ．２ Ｊｕｎ．２００２
厂房中高强混凝土框架柱轴压比限值的研究
吴 涛 ，白国良 ，刘伯权 ，章崇哲。
（１．西安建筑科技大学，陕西西安７１００５５；２．长安大学，陕西西安７１００６４；
３．西安市雁塔区城乡建设开发公司，陕西西安７１００６１）
摘要：通过对工业厂房高强混凝土框架柱轴压比限值的分析．提出在高轴压下，确定柱受压纵筋和约束箍筋
的计算公式．以满足对高强混凝土柱有限延性的要求（ ≥３）．并给出对应于不同混凝土强度等级的柱轴压比
的限值．
关键词：高强混凝土；框架柱；轴压比
中图分类号：ＴＵ３７５．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７９３０（２００２）０２一Ｏ１４５—０３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｌｉｍｉｔ ｖａｌｕｅ ｏｆ ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ
０ｆ ｈｉｇｈ—ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｒａｍｅ ｃｏｌｕｍｎｓ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｗｏｒｋｓ
Ｔａｏ ，ＢＡＩ Ｇｕｏ—ｌｉａｎｇ ，Ｌ Ｂｏ—ｑｕａｎ。，ＺＨＡＮＧ Ｃｈｏｎｇ—ｚｈｅ
（１．Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ａｒｃｈ．＆Ｔｅｃｈ．，Ｘｉ’ａｎ ７１００５５，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｃｈａｎｇ’Ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ・Ｘｉ’ａｎ ７１ ００６４．Ｃｈｉｎａ
３．Ｙａｎｔａ Ｕｒｂａｎ＆Ｒｕｒａｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００６１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ＨＳＣ ｆｒａｍｅ ｃｏｌｕｍｎｓ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ａｘｉａｌ ｌｏａｄ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｐｕｔ ｕｐ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ
ｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ａｎｄ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｂａｒｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｔＯ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
ｗｉｔｈ ＨＳＣ ｃｏｌｕｍｎｓ（ ≥３）．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｖａｌｕｅ ｏｆ ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｏｆ ＨＳＣ ｆｒａｍｅ ｃｏｌｕｍｎｓ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｗｏｒｋｓ
ｉｓ ｇｉｖｅｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｆｒａｍｅ ｃｏｌｕｍｎｓ；ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ
高强混凝土（ＨＳＣ）是混凝土技术的一个重要发展方向，它适应现代工程向大跨、高耸、重载发展和
承受恶劣环境条件的需要，符合现代施工技术的要求．高强混凝土因其强度高、变形小、耐久性好，越来
越广泛地被应用在许多大跨、重载的工业厂房结构中．它有利于减小柱面的尺寸，降低柱的轴压比，改
善受压绝件的工作条件，提高构件的耐久性．但目前对高强混凝土设计、施工的指导规程Ⅲ主要依照民
用结构的特点，在工业建筑应用中有必要进行具体分析．
１ 厂房柱的受力情况和破坏特点
工业厂房中框架柱的尺寸一般由柱的轴压比限值控制，纵向钢筋按构造陪筋．框架柱在地震作用
下主要有剪切破坏、粘结破坏和弯曲破坏三种破坏形态，弯曲破坏分为大偏 ０受压破坏和小偏心受压破
收稿日期：２００２—０２—０１
作者简介：吴涛（１９７６一），男，安徽霍山人，西安建筑科技大学博士研究生，主要从事钢筋混凝土结构抗震的研究 维普资讯 http://www.cqvip.com １４６ 西安建筑科技大学学报（自然科学版） 第３４卷
坏两种．其中，剪切破坏、粘结破坏及小偏心受压破坏都属于脆性破坏，而大偏心受压破坏属于延性破
坏．故在抗震设计中希望将柱设计为大偏心受压破坏．
根据国内相关的高强混凝土柱试验口～ ，当设计轴压比 。≥０．６５，即发生小偏压破坏．如果采用较
高的配箍率，可以满足对柱的有限延性的要求（ ≥３）．一般情况下厂房的底层柱设计轴压比 。≥０．
７０，所以其发生小偏压破坏是不可避免的．另外，工业厂房的层高一般由工艺确定，柱截面越大则剪跨
比越小，剪跨比也是影响柱延性的一个重要参数．有必要对轴压比限值的确定及放宽限值的要求进行
综合研究．
２ 厂房高强混凝土柱轴压比限值
２．１ 高强混凝土柱轴压比的限值
框架柱轴压比的限值，可以根据大小偏心界限破坏状态的条件进行推导 ，如图１．根据截面力的
平衡条件有：
形
混凝土极限压应变的试验标准值，可取￡ ０＝ ＝ ／Ｅ ，￡ 一０．００３．
分别将荷载和材料的标准值转化为设计值．取Ｎ。＝１．２５Ｎ ， 一 ／ ， 对于不同等级的混凝
土的取值见文献［１］．可得对应于不同混凝土强度等级框架柱设计轴压比限值的计算值，具体见表２．
表１ 与混凝土强度等级的关系 表２ 框架柱轴压比（ 。）的限值计算值
２．２ 高轴压比柱小偏压破坏分析
柱小偏压的破坏分两种情况，部分受压、部分受拉和全截面受压，分别如图２（ａ）、（ｂ）所示，介于两
种情况之间的界限破坏如图２（ｃ）．工业厂房中荷载重、跨度大，一般底层柱的受力如图２（ｂ）所示，偏于
安全取如图２（ｃ）进行分析，根据截面力的平衡：
Ⅳ 一Ｌｂｈ。 ＋ ；厂ｙ＋∑Ａ 。
［］一 ［］三［］
ｌ １１７０ ， ， １ｈｑ ，ｘ ｈｏ． ，
（ａ） Ⅱ＝＝］＝＝工］
（ｂ） （ｃ） （３）
图２柱小偏心受压应变图形
取纵向分布钢筋承受的压力∑ 。为０．１Ａ ；厂ｙ，ｈ＝０．９５ｈ。，将式（３）两边各除以Ｌｂｈ，则得到式（４）：
。一０．９５ｆｌ＋１．１ｐ，・ （４）
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上式中 一尸 ／Ｌ为配筋特征系数；Ｐ一 一 为受压钢筋的配筋率．本公式适用于小偏压破坏全截 Ｕ，‘ 面受压的情况．对于不同等级的混凝土，如计算出的受压钢筋小于规程的值ｕ］，应按规程取．
从式（４）可以看出，在小偏心受压柱的轴压力由受压纵筋和混凝土共同承受．假定混凝土承担的压
力保持不变，则通过增加纵向受压钢筋以承受更大的压力．这为提高柱轴压比限值提供了可能．
如受压纵筋为Ⅲ级钢筋（ ＝３４０Ｎ／ｍｍ。），根据式（３）可求得柱受压区钢筋的配筋率ｌＤ 。，见下表
３．如采用其它强度等级钢筋可进行换算（＊表示该混凝土等级下严禁采用这一轴压比）．
３ 约束箍筋的要求 表３ 不同混凝土强度和轴压比柱的受压区配筋率ＩＤ，。 ％
３．１箍筋体积配箍率与轴压比的关系
上式（３）给出了高轴压下受压纵筋计算
的方法，但高强混凝土柱在高轴压下，能否满
足有限延性的要求，箍筋含量和类型是关键．
大连理工大学王清湘等的研究表明 ］，高强
混凝土柱体积配箍率ｌＤ。 与轴压比 。的关系
呈非线性的．轴压比高，箍筋约束效果则较
差．简化采用双折线表示它们之间的非线性
关系．在满足有限延性 ≥３的条件下，可采用下式表达：
ｆ ０．００４＋０．０１ｎｏ （Ｏ≤ｎｏ≤０．５） Ｖ一１ ０．０３ｎ。一０．００６（。＞０．５）’ ｛． 。一． （ 。＞．）
３．２高轴压比下箍筋数量的确定
通常箍筋数量的确定由两种要求决定，一是强度要求，二是变形要求．对高轴压比的情况，变形要
求起决定作用．根据式（５）给出相应不同轴压比下高强混凝土柱的体积配箍率．因式（５）未考虑不同混
凝土强度等级的影响，可以认为，按式（５）计算出的体积配箍率对应于Ｃ６０，Ｃ７０和Ｃ８０级混凝土分别增
２ｎｏ．２ 和０．４ ．结果见表４．
表４ 不同混凝土强度和轴压比
柱的体积配箍率 ／ 表５ 不同混凝土强度等级
和框架类型柱轴压比限值
４ 结 论
（１）分析了高强混凝土框架柱在高轴压比下的受力情况，给出了对应于不同混凝土强度等级及框
架类型柱轴压比的限值．
（２）给出高轴压比下厂房高强混凝土框架柱纵向受力钢筋和箍筋的计算公式．
（３）针对在高强混凝土结构中采用高强受力钢筋的问题，提出了配筋特征系数 ．
参考文献：
［１］ＣＥＣＳ１０４：９９．高强混凝土结构技术规程Ｉｓ３．
［２］陈肇元，朱金铨，吴佩刚．高强混凝土及其应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９２．
［３］程文穰，李爱群，张晓峰等．钢筋混凝土柱的轴压比限值［Ｊ］．建筑结构学报，１９９４（６）：２５—３０．
［４３王清湘，赵国藩，林立岩．高强混凝土柱延性的试验研究［Ｊ］．建筑结构学报，１９９５（４）：２２—３１．
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