短柱的设计

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短柱的设计
【摘要】短柱的破坏是无明显预兆的“脆性破坏”,在工程设计中如何设计短柱以提高其延性,改善其变形能力,避免“脆性破坏”是本文讨论的主要问题。

【关键词】短柱脆性破坏剪跨比抗震设计
前言:目前,在工业与民用建筑的框架、框剪设计中,普遍采用PKPM 等设计软件进行设计,但目前的软件设计还不完善,在进行电算时,对短柱不能进行自动判别,因此短柱需要设计人员利用电算结果另行设计。

一、(概念)什么是短柱?
对短柱进行设计之前,首先要判别哪些柱是短柱或哪种受力状态易形成短柱。

通常以剪跨比λ的大小判别。

剪跨比λ≥2(柱净高Hn/Zho≤2或M/Vho≤2)的柱,定义为短柱。

其中:Hn:(柱层高-梁高)柱净高;
ho:短柱方向对应的柱截面计算高度。

M:宜取柱上下端考虑地震作用组合的弯距设计值的较大值,
V:取与M对应的剪力设计值。

在设计中我们可以这样去判别:非地震组合作用下:Hn/Zho≤2的柱即为短柱;地震组合作用下:当反弯点在柱层高范围内 Hn/Zho ≤2即为短柱,否则以M/Vho≤2判定短柱。

式中的M、V的值可在PKPM 等电算软件计算分析结果中“各荷载工况下构件标准内力简图”中查到。

二、短柱的破坏形态:
其次,应了解短柱的破坏形态,以求对症下药,避免不利破坏的发生。

下面就两种典型荷载组合作用下短柱的破坏形态进行分析:1、非地震组合作用下,一般以竖向压力为控制荷载组合,在竖向压力作用下柱的整个截面的应变是均匀分布的,随着荷载的增加应变也迅速增加,最后,砼达到极限应变,柱出现纵向裂缝,砼保护层剥落,箍筋间的纵向钢筋向外凸,构件因砼被压碎而破坏,这是一种脆性破坏。

2、地震组合作用下,水平地震力为控制荷载组合,在水平力作用下柱将产生较大的水平剪力,而短柱在水平剪力作用下,易产生剪切破坏,这也是一种脆性破坏,破坏的结果将可能导致整个建筑物的严重破坏。

3、由对短柱在地震及非地震作用组合下的破坏形态分析可知:短柱一旦破坏,就是一种无明显预兆的“脆性破坏”,所以在设计中尽量避免,如不能避免,应对其进行专门的设计以提高短柱延性,改善其变形能力,避免“脆性破坏”。

三、哪些部位易形成短柱?
再次,在设计中,如何直观地判定哪些部位的柱易形成短柱,在多年的设计工作中,笔者总结出以下几种情况:
1、框架、框剪结构的柱在底部外墙下(即梁顶标高为-0.1或-0.3)设地梁时,易在柱基础顶面与地梁高度范围内形成短柱。

2、层高较低的楼层(如:设备房...),用Hn/Zho≤2反算可得,
当层高H≤2.5m就易形成短柱。

3、结构由于受力要求在框架柱间设层间梁的部位。

如:楼梯间设平台梁、门洞上设的雨蓬梁,而与之相连的框架易形成短柱。

4、错层结构(框架、框剪....),当错层高度H≤2.5m时,易形成短柱。

5、框架或框剪结构中当填充墙采用实心砖墙而墙体较高时,因为填充墙的嵌固作用,使得柱的净高减小,形成短柱。

四、短柱的设计要点
了解了短柱的概念、破坏形态及形成部位后,下面重点探讨短柱的设计要点。

(一)、抗震短柱的设计要点
1.箍筋宜采用复合箍筋、复合螺旋箍筋、连续复合螺旋箍筋。

1.1 复合箍筋:由矩形、多边形或拉筋等各自带有锚固弯钩的箍筋组合而成。

采用复合箍筋主要是提高柱体的受剪承载力,使砼在反复循环受剪后,不致剪切滑移,改善其变形能力。

1.2 复合螺旋箍筋:由一根钢筋弯折加工而成的复合箍筋,这种箍筋由工业化生产。

1.3 连续复合螺旋箍筋:指全部(或分段)柱高的螺旋箍筋为同一钢筋加工而成的复合箍筋(类似于圆形螺旋箍筋)。

2.受剪承载力验算:
2.1 受剪截面应满足下式要求:
Vc≤1/r RE(0.15βcfcbho) 见《混凝土结构设计规范》GB50010(以下简称《砼规》) 11.4.8-2
满足上式是保证截面最小尺寸要求,避免剪力较大时,柱可能发生斜压破坏,若不满足,则需要加大截面尺寸或提高混凝土强度等级。

2.2 考虑地震作用组合的短柱受剪承载力验算:
Vc≤1/r RE[(1.05/λ+1)ftbho+fyv(Asv/s)ho+0.056N]《砼规》11.4.9 ;
Vc≤1/r RE[(1.05/λ+1)ftbho+fyv(Asv/s)ho-0.2N]《砼规》11.4.10,
式中:
λ:λ=Hn/Zho 或M/Vho λ≤1.0,取λ=1;λ>3.0,取λ=3.0;
N:考虑地震作用组合的框架和框支柱轴向压(拉)力设计值;
N≤0.3fcA,轴向压力在一定范围内能延缓斜裂缝的出现和开展。

式中其他参数的含义及取值要求详见《砼规》。

2.3 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《建筑抗震设计规范》GB50011(以下简称《抗规》)中关于框架柱的抗震构造要求。

2.3.1 纵筋:宜对称配置,且每侧以配筋率不宜大于1.2%(一级)《抗规》6.3.9。

2.3.2 箍筋:
2.3.2.1 直径及间距要求:最低四级抗震λ≤2时,直径应≥φ8mm;箍筋应全高加密,间距及直径满足《抗规》表6.3.8-2的要求且
间距不大于100mm,肢距不大于200 mm;
2.3.2.2 体积配箍率要求:体积配箍率ρV≥1.2%且同时应满足《抗规》第6.3.12条ρV≥λvfc/fyv1要求. 9O不应ρV小于1.5%《抗规》表6.3.12-3
2.3.3 轴压比限值:N/fcA应满足《抗规》表6.3.7要求。

2.4 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.
高层应注意验算,多层大多能满足限值要求。

(二)、非地震组合作用下的短柱设计
1 受压承载力计算:N≤fcA+fy'As′
由上式可知短柱极限承载力较一般柱要高。

2 砼的极限应变控制在0.002以内,由此推断出短柱破坏时,钢筋与砼共同变形,钢筋的应变值也为0.002,钢筋应力值为弹性模量与应变的乘积为400N/mm2,也就是说在短柱中采用 >400N/mm2的高强钢筋,钢筋不能充分发挥抗压强度,意义不大。

3 抗震构造措施及要求应满足《抗规》(与“抗震设计”中提到的构造要求同)要求。

结束语:笔者在对短柱的设计中参考了《混凝土结构构造手册》第三版的短柱篇,在该篇中还介绍了其它类型的复合螺旋箍筋,外包钢板箍短柱,配X筋短柱的设计要点,同行们可以学习。

在工程设计
中,我们会尽量避免形成短柱,在遇到短柱时,先用简单的设计、施工方法去处理,如不能满足再考虑其它类型的设计处理方法。

以上是笔者在短柱设计方面的一些心得,仅供参考,不当之处,欢迎批评指正。