鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中短柱的成因及防治

王海江 農(nóng)十三師勘察設(shè)計(jì)院

唐曉青 西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院

    在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中首先應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的平、立面布置要規(guī)則，其次，通過計(jì)算來滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度與變形要求，同時(shí)，更應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防措施，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，構(gòu)造比計(jì)算的意義更為重要。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：

    1）構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載能力、良好的變形能力和耗能能力。

    2）構(gòu)件應(yīng)具有合理的剛度和承載力分布。

    3）在框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)形成強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件和鋼筋有足夠的錨固等。

    這些抗震設(shè)計(jì)概念越來越被工程設(shè)計(jì)人員所理解，并在工程設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。但是，在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中也存在一些問題，影響了房屋的抗震性能和工程質(zhì)量，其中一個(gè)問題是短柱。由于短柱對(duì)結(jié)構(gòu)的危害主要是強(qiáng)烈地震作用下的脆性破壞，對(duì)承擔(dān)豎向荷載沒有影響，在結(jié)構(gòu)的正常使用中不容易暴露出潛在的危害，所以沒有引起設(shè)計(jì)人員的足夠重視，致使鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的短柱問題仍有發(fā)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(zhǎng)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(guī)范中是用剪跨比λ來定義短柱λ =M／h0 ，1．5<λ≤2．0時(shí)為短柱，λ ≤1．5時(shí)為極短柱，(式中： 為柱端截面組合的彎矩計(jì)算值；V為對(duì)應(yīng)的截面組合剪力計(jì)算值)。長(zhǎng)柱一般發(fā)生彎曲破壞；短柱多數(shù)發(fā)生剪切破壞；極短柱發(fā)生剪切斜拉破壞，這種破壞屬于脆性破壞。在實(shí)際工程中出現(xiàn)短柱的原因有2大類，一是工程設(shè)計(jì)中的問題，二是施工中改變?cè)�設(shè)計(jì)。

2 短柱的成因

    2.1 設(shè)計(jì)中短柱的成因

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

    (2)在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，柱網(wǎng)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(nèi)而采取較大的柱截面；還有因柱混凝土強(qiáng)度采用的等級(jí)偏低而導(dǎo)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(dāng)?shù)夭捎猛獍�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(qū)的8層以下和VI度區(qū)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(cè)力作用；而對(duì)未設(shè)防的這些層數(shù)范圍內(nèi)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(shè)計(jì)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(tái)梁使框架的柱變成了短柱。

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

    2.2 施工中短柱的成因

    (1)施工中對(duì)鋼筋混凝土框架中的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接處理不當(dāng)。如外縱墻墻體與框架柱的連接，在設(shè)計(jì)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(tái)標(biāo)高處形成了一個(gè)剛性支承而形成短柱。由于設(shè)計(jì)不合理形成的短柱，一般都按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采取了沿柱全高箍筋加密；而施工不當(dāng)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(dāng)而形成的短柱更為危險(xiǎn)，其隱患更大。

    (2)多跨廠房?jī)?nèi)部不恰當(dāng)?shù)赜么u墻分割也是形成短柱的原因。有些多跨廠房在原設(shè)計(jì)中并沒有嵌砌于排架柱的內(nèi)縱墻，在使用過程中有時(shí)出現(xiàn)2個(gè)車間共同使用一個(gè)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(nèi)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(xiàn)及破壞

    鋼筋混凝土框架中的短柱，其破壞狀態(tài)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(shè)計(jì)和現(xiàn)有鋼筋混凝土房屋的抗震加固中應(yīng)盡量避免；在施工中應(yīng)杜絕不符合設(shè)計(jì)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(zhì)量。如果同一樓層中均為短柱(如高層建筑的設(shè)備層)，各柱之間抗側(cè)剛度不很懸殊，這種情況下按規(guī)范進(jìn)行內(nèi)力分析和截面設(shè)計(jì)構(gòu)造，結(jié)構(gòu)安全是可以保證的。所以應(yīng)避免在同一樓層中出現(xiàn)少量短柱，對(duì)于不可避免的短柱，應(yīng)采取構(gòu)造措施提高其延性。

    3.2 短柱抗震的設(shè)計(jì)

    (1)必須驗(yàn)算柱的剪壓比，其受剪截面應(yīng)符合

    式中V —— 柱計(jì)算截面的剪力設(shè)計(jì)值；

        fe — — 混凝土軸心受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

        b — — 矩形截面的寬度；^

        h0 —— 柱截面計(jì)算方向有效高度；

        β— — 混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)，當(dāng)不大于C50時(shí)取1．0；C80時(shí)取0．8；在C50和C80之間時(shí)可按線性內(nèi)插取用；

        γRE— — 承載力抗震調(diào)整系數(shù)，取0．85。

    (2)柱的軸壓比，當(dāng)剪跨比λ不大于2但不小于1．5時(shí)，應(yīng)比高規(guī)表6．4．2數(shù)值減小0．05 ；剪跨比λ小于1．5時(shí)應(yīng)專門研究并采取特殊構(gòu)造措施，可采用型鋼混凝土柱或芯柱(見圖1)

    (3)抗震等級(jí)為一級(jí)和特一級(jí)時(shí)。其單側(cè)縱向受拉鋼筋的配筋率不宜大于1．2％ 。

    (4)加密區(qū)范圍箍筋的體積配箍率應(yīng)按高規(guī)第6.4.7條1款規(guī)定；且宜采用復(fù)合螺旋箍或井字復(fù)合箍，其體積配箍率不應(yīng)小于1.2％ ，設(shè)防烈度為9度時(shí)不應(yīng)小于1.5％ 。

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

    3.3 樓梯休息平臺(tái)處的處理

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

    3.4 非結(jié)構(gòu)墻體與柱采取柔性連接

    非結(jié)構(gòu)的墻體宜采用輕質(zhì)墻或外墻掛板，并使非結(jié)構(gòu)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(yīng)優(yōu)先采用外包角鋼法

    在現(xiàn)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(yīng)到頂且與梁柱較好地連接

    在現(xiàn)有鋼筋混凝土框架房屋的使用功能改造中，應(yīng)避免出現(xiàn)因墻不到頂而形成的短柱現(xiàn)象。若房屋整體剛度和承載能力均不能滿足設(shè)防要求，可采用改變結(jié)構(gòu)體系的方法：當(dāng)總層數(shù)為6層左右時(shí)，可采用后加磚砌抗震墻；當(dāng)總層數(shù)多于7層時(shí)，應(yīng)采用后加鋼筋混凝土墻，但都要從基礎(chǔ)做起，并且應(yīng)與框架梁、柱加強(qiáng)連接。在后加磚抗震墻與梁、柱相連時(shí)，應(yīng)設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁，使這些鋼筋混凝土構(gòu)件與原有的框架柱及后加填充墻可靠地連接，既加強(qiáng)了整體性，又可避免形成短柱。

4、結(jié)束語

    為保證短柱結(jié)構(gòu)的安全，在設(shè)計(jì)施工中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，采取切實(shí)可行的構(gòu)造措施，防止短柱破壞，在施工中遇到用戶提出修改設(shè)計(jì)出現(xiàn)短柱問題時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行妥善處理，有針對(duì)性地采取措施，保證結(jié)構(gòu)安全。

參考文獻(xiàn)：

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3.李國(guó)勝．多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中疑難問題的處理及算例[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004．

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)