鋼筋混凝土結構中短柱的成因及防治

王海江 農十三師勘察設計院

唐曉青 西安建筑科技大學建筑設計研究院

    在鋼筋混凝土結構的設計中首先應考慮結構的平、立面布置要規則，其次，通過計算來滿足結構構件的強度與變形要求，同時，更應重視結構的抗震設防措施，在鋼筋混凝土結構的抗震設計中，構造比計算的意義更為重要。對于鋼筋混凝土結構應滿足以下要求：

    1）構件應具有必要的承載能力、良好的變形能力和耗能能力。

    2）構件應具有合理的剛度和承載力分布。

    3）在框架結構中應形成強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱桿件和鋼筋有足夠的錨固等。

    這些抗震設計概念越來越被工程設計人員所理解，并在工程設計中得到應用。但是，在鋼筋混凝土框架結構中也存在一些問題，影響了房屋的抗震性能和工程質量，其中一個問題是短柱。由于短柱對結構的危害主要是強烈地震作用下的脆性破壞，對承擔豎向荷載沒有影響，在結構的正常使用中不容易暴露出潛在的危害，所以沒有引起設計人員的足夠重視，致使鋼筋混凝土框架結構中的短柱問題仍有發生。

1、短柱的定義

    鋼筋混凝土框架的短柱是指柱的凈高與截面長邊尺寸之比小于4的柱，即H0<4(H0為層問柱的凈高,H0為柱截面有效高度)。抗震規范中是用剪跨比λ來定義短柱λ =M／h0 ，1．5<λ≤2．0時為短柱，λ ≤1．5時為極短柱，(式中： 為柱端截面組合的彎矩計算值；V為對應的截面組合剪力計算值)。長柱一般發生彎曲破壞；短柱多數發生剪切破壞；極短柱發生剪切斜拉破壞，這種破壞屬于脆性破壞。在實際工程中出現短柱的原因有2大類，一是工程設計中的問題，二是施工中改變原設計。

2 短柱的成因

    2.1 設計中短柱的成因

    (1)高層建筑的鋼筋混凝土結構，由于設置設備層，層高矮而柱截面大形成短柱。

    (2)在鋼筋混凝土框架結構的設計中，柱網布局不合理，使得少量的框架柱承受的豎向荷載過大，為了控制柱的軸壓比，在一定的范圍內而采取較大的柱截面；還有因柱混凝土強度采用的等級偏低而導致柱的截面偏大等。

    (3)在原有鋼筋混凝土框架房屋的抗震加固中，不適當地采用外包鋼筋混凝土，使得柱的凈高與截面高度比小于4而形成短柱。

    (4)在地段烈度VII度區的8層以下和VI度區的5層以下的新建鋼筋混凝土框架房屋中，可以考慮填充墻的抗側力作用；而對未設防的這些層數范圍內的鋼筋混凝土框架房屋的抗震加固，也可采用后填磚砌抗震墻形成框架填充墻體系的加固方法。但由于設計不合理，不能形成后加填充墻與框架梁、柱的整體連接而形成短柱。

    (5)在有樓梯問的部位、半層高處的緩步臺梁使框架的柱變成了短柱。

    (6)在建筑物中存在較大錯層部位，如超過梁高的錯層。(7)柱子與地粱的間距處理不好，也容易出現短柱。

    2.2 施工中短柱的成因

    (1)施工中對鋼筋混凝土框架中的非結構構件與主體結構構件的連接處理不當。如外縱墻墻體與框架柱的連接，在設計圖紙中為柔性連接，但在施工中采用了剛性連接；而且外縱墻又多為窗下裙墻，其剛性連接使得框架柱在窗臺標高處形成了一個剛性支承而形成短柱。由于設計不合理形成的短柱，一般都按《建筑抗震設計規范》采取了沿柱全高箍筋加密；而施工不當所造成的短柱，則連沿柱全高箍筋加密都沒有做到，因此，這種因施工不當而形成的短柱更為危險，其隱患更大。

    (2)多跨廠房內部不恰當地用磚墻分割也是形成短柱的原因。有些多跨廠房在原設計中并沒有嵌砌于排架柱的內縱墻，在使用過程中有時出現2個車間共同使用一個多跨廠房等，有的廠房則再用磚砌1．5 m左右嵌砌于排架柱的墻，致使排架柱在縱向的嵌砌墻高以上范圍內形成短柱，在地震作用下，將加重廠房的縱向破壞。

3、短柱的防治

    3.1 如何避免短柱的出現及破壞

    鋼筋混凝土框架中的短柱，其破壞狀態為脆性，其抗震性能比較差，在新建鋼筋混凝土房屋的抗震設計和現有鋼筋混凝土房屋的抗震加固中應盡量避免；在施工中應杜絕不符合設計思想而形成的短柱，只有這樣才能從根本上提高鋼筋混凝土房屋的抗震性能和工程質量。如果同一樓層中均為短柱(如高層建筑的設備層)，各柱之間抗側剛度不很懸殊，這種情況下按規范進行內力分析和截面設計構造，結構安全是可以保證的。所以應避免在同一樓層中出現少量短柱，對于不可避免的短柱，應采取構造措施提高其延性。

    3.2 短柱抗震的設計

    (1)必須驗算柱的剪壓比，其受剪截面應符合

    式中V —— 柱計算截面的剪力設計值；

        fe — — 混凝土軸心受壓強度設計值；

        b — — 矩形截面的寬度；^

        h0 —— 柱截面計算方向有效高度；

        β— — 混凝土強度影響系數，當不大于C50時取1．0；C80時取0．8；在C50和C80之間時可按線性內插取用；

        γRE— — 承載力抗震調整系數，取0．85。

    (2)柱的軸壓比，當剪跨比λ不大于2但不小于1．5時，應比高規表6．4．2數值減小0．05 ；剪跨比λ小于1．5時應專門研究并采取特殊構造措施，可采用型鋼混凝土柱或芯柱(見圖1)

    (3)抗震等級為一級和特一級時。其單側縱向受拉鋼筋的配筋率不宜大于1．2％ 。

    (4)加密區范圍箍筋的體積配箍率應按高規第6.4.7條1款規定；且宜采用復合螺旋箍或井字復合箍，其體積配箍率不應小于1.2％ ，設防烈度為9度時不應小于1.5％ 。

    (5)箍筋應沿柱全高加密。箍筋的直徑不應小于10 mm，肢距不大于200 mm；間距不應大于100 mm；一級時尚不應大于6倍的縱向鋼筋直徑。

    3.3 樓梯休息平臺處的處理

    為避免樓梯休息平臺處的短柱，可在框架梁上設置小柱，由小柱支撐平臺梁，平臺板外不再設梁而樓梯跑板外伸懸挑板(見圖2)。

    3.4 非結構墻體與柱采取柔性連接

    非結構的墻體宜采用輕質墻或外墻掛板，并使非結構的墻體與框架柱之間采用柔性連接或弱連接等。

    3.5 框架柱的加固應優先采用外包角鋼法

    在現有鋼筋混凝土框架房屋的抗震加固中，若只有少量柱不滿足承載力的要求，可采用外包角鋼加扁綴板的方法加固，使柱的承載能力有較大提高而柱截面增大不多。

    3.6 后砌墻應到頂且與梁柱較好地連接

    在現有鋼筋混凝土框架房屋的使用功能改造中，應避免出現因墻不到頂而形成的短柱現象。若房屋整體剛度和承載能力均不能滿足設防要求，可采用改變結構體系的方法：當總層數為6層左右時，可采用后加磚砌抗震墻；當總層數多于7層時，應采用后加鋼筋混凝土墻，但都要從基礎做起，并且應與框架梁、柱加強連接。在后加磚抗震墻與梁、柱相連時，應設置鋼筋混凝土構造柱和圈梁，使這些鋼筋混凝土構件與原有的框架柱及后加填充墻可靠地連接，既加強了整體性，又可避免形成短柱。

4、結束語

    為保證短柱結構的安全，在設計施工中應嚴格執行國家建筑抗震設計規范，采取切實可行的構造措施，防止短柱破壞，在施工中遇到用戶提出修改設計出現短柱問題時，應及時進行妥善處理，有針對性地采取措施，保證結構安全。

參考文獻：

1.GB 50011-200l建筑抗震設計規范[S]．

2.JGJ 3—2002 高層建筑混凝土結構術規程[s]．

3.李國勝．多高層鋼筋混凝土結構設計中疑難問題的處理及算例[M]．北京：中國建筑工業出版社，2004．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)