论文部分内容阅读
摘要：随着我国经济建设的迅猛发展，高层与超高层建筑大量兴建，承重柱选型问题日益受到关注.高层建筑结构承重柱的截面尺寸通常由轴压比限值选定，容易形成短柱，工程设计中应避免.基于改善短柱抗震性能的措施在工程中的应用和试验研究成果，本文分析了不同类型承重柱的工作机理和受力性能，介绍了适用于高层建筑结构体系的承重柱型式，提出了与其相适应的轴压比限值和建议.
关键词：高层建筑；结构；承重柱；分析；对策
1、高层建筑结构承重柱的种类
一、钢与混凝土结构的互补性充分发挥了他的优势，它的主要类型如下：（1）箍筋约束混凝土柱。根据配筋构造形式的不同，可分为普通箍、井字箍、井字复合箍、复合螺旋箍、连续复合矩形箍柱。箍筋约束混凝土柱的受力机理是利用复合钢箍或螺旋钢箍约束核心混凝土受压时的横向应变，使核心混凝土处于三向受压状态，从而提高混凝土强度，增加延性。这种类型柱在设计使用时，柱截面需做成圆形，适用性和灵活性差；采用焊接钢箍时，焊接麻烦，用钢量大，同时，钢箍约束核心混凝土横向应变有限，柱承载力提高和延性能的改进也是有限的。（2）钢纤维混凝土柱。钢纤维混凝土是一种由水泥、粗细集料和随机分布的短纤维组合而成的复合材料。由于钢纤维阻滞基体混凝土裂缝的扩展，使其各项物理力学性能都比普通混凝土有明显的提高和改善。试验研究表明，随着钢纤维含量提高，混凝土极限压应变明显增大。在其他各项条件基本相同的情况下，掺入适量钢纤维能够明显提高构件的延性。（3）钢管混凝土柱。根据裁面形式不同，可分为方钢管混凝土柱、圆钢管混凝土柱和多边形钢管混凝土柱。钢管混凝土是将混凝土注入封闭的薄壁钢管内形成的一种组合结构材料，它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互制约，使其具备了优异的工作性能：承载力高、塑性和韧性好、经济效果好。采用钢管混凝土结构替代钢结构柱，可节約钢材50%左右；若替代钢筋混凝土柱，则在用钢量大体相同的情况下可减小柱截面面积50%左右。相应节约大量混凝土。（4）钢骨混凝土柱。该类型柱是指在钢筋混凝土柱中配置钢骨，同时配有构造钢筋及少量受力钢筋。配置钢骨的形式可分为实
腹式和空腹式。不同形式的钢骨混凝土柱截面形式不同。钢骨混凝土柱不受最大配筋率限制，混凝土中配置较多的钢材，能有效地减少柱截面尺寸，满足建筑功能要求。同时，钢骨可以承担施工荷载，可作为施工荷载的承力系统。（5）分体柱。该类型柱是将钢筋混凝土短柱采用隔板将一个整截面柱分成2 个或4 个等截面小柱。各小柱独立配筋，梁柱节点仍为一个整体。试验研究表明，对钢筋混凝土短柱采用分体柱的方法可以实现变“短柱”为“长柱”的设想，框架柱破坏形态由剪切型转变为弯曲型，延性明显提高，但柱承载力略有下降，因此柱截面尺寸不仅没有减小，反而略有增大。（6）高强混凝土柱。高强混凝土是指混凝土强度等级为C50-C80 的混凝土。由于其抗压强度高，使钢筋混凝土柱的承载力大幅度增加，在相同的荷载下可减小构件的截面尺寸，增大使用空间，避免短柱出现。应用较高强度等级混凝土时，需考虑施工条件的可行性。
2、高层建筑结构承重柱的轴压比限值
（1）柱中轴压比是影响延性的主要因素之一，而影响混凝土柱延性的主要原因在于混凝土部分所分担的轴压力。确定一个合适的轴压比限值，以使混凝土柱的抗震延性得到满足，十分重要。同时轴压比是影响承重柱的破坏形态和变形能力的重要因素。《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）为了保证钢筋混凝土柱具有足够的延性，对柱的轴压比限值做出了规定，希望框架发生大偏心受压破坏，保证框架柱在地震作用下发生大变形时具有较好的延性，从而保证框架结构有足够的变形能力。实现框架大震不倒的抗震设计目标。表1 是建筑抗震设计规范对钢筋混凝土柱轴压比的限值。
表1 钢筋混凝土柱轴压比的限值
抗震等级 一级 二级 三级
框架柱 0.7 0.8 0.9
框支柱 0.6 0.7 0.8
对于箍筋约束混凝土柱，采用井字复合箍、复合螺旋箍、连续复合矩形箍钢筋混凝土柱，轴压比限值可增加0.10，但应保证最低配箍率的要求。
（2）高强混凝土柱材料的性能A、在材料的性能上，高强混凝土延性比普通混凝土延性差，在外荷作用下容易发生脆性破坏，但通过适当的配筋构造措施，用高强混凝土制作的构件延性同样可以满足设计要求，因此，其轴压比限值可不降低。B、钢纤维混凝土柱的性能。与普通混凝土类似，存在大偏心受压破坏和小偏心受压破坏两种破坏形态。当钢纤维掺入量在1%-2%范围内，钢纤维混凝土抗压强度提高幅度较小。参照钢筋混凝土框架柱轴压比限值理论分析，钢纤维混凝土柱轴压比限值可略有提高。C、钢管混凝土柱的性能。基于钢管混凝土压弯构件的水平力和位移恢复力特性的理论分析结果，钢管混凝土构件用于高层建筑中时，可采取限制长细比的办法，不必限定轴压比。D、钢骨混凝土柱的性能，相关研究根据钢骨混凝土柱正截面承载力和低周期反复水平力作用下的静力试验结果，从钢骨混凝土柱界限破坏时内力的平衡条件出发，推导出轴压比的理论计算公式，经简化后提出了实用计算公式。计算表明，钢骨混凝土柱的轴压比限值
一般比钢筋混凝土柱的轴压比限值高25%-50%。E、分体柱的性能。由于“短柱”变为“长柱”，实现了框架柱的破坏形态的转变，因此，其轴压比不应受到限制。
3、改善短柱抗震性能的对策
改进配筋构造型式，加强核心混凝土有效约束，如配置螺旋箍筋、复式箍筋、斜向交叉配筋等。（1）提高构件承载力，减小轴压比，如钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱和高强混凝土柱等；（2）改进材料性能，提高混凝土变形能力，如钢纤维混凝土柱等；（3）采用分体柱，变短柱为长柱。
4、高层建筑结构承重柱的造型与合理化建议
（1）在工程实际应用中，经常选用的型钢、钢管、高强混凝土组合而成的复合柱、如型钢高强混凝土柱、钢管高强混凝土柱、双层钢管混凝土柱、充满型型钢混凝土柱等。
（2）承重柱选型时，应视柱轴力大小，根据施工技术和经济指标综合确定。选用箍筋约束混凝土柱、钢纤维混凝土柱和分体柱能有效地改善承重柱的抗震性能；选用高强混凝土柱、钢管混凝土柱和钢骨混凝土柱是承重柱截面尺寸减肥的有效方法。
（3）不同类型的承重柱轴压比限值选定不宜过高，也不宜过低。如果轴压比限值过高，在高轴压比情况下，在水平荷载施加之前，柱已产生较大的预压应变，预压应变降低截面的塑性转动能力，使构件的延性变差。如果轴压比限值过低，柱截面尺寸过大，可能柱变为短柱，反而降低了构件的延性。因此，在满足构件有限延性的基础上，选定合适的轴压比限值，使构件能获得较大的水平抗力。
关键词：高层建筑；结构；承重柱；分析；对策
1、高层建筑结构承重柱的种类
一、钢与混凝土结构的互补性充分发挥了他的优势，它的主要类型如下：（1）箍筋约束混凝土柱。根据配筋构造形式的不同，可分为普通箍、井字箍、井字复合箍、复合螺旋箍、连续复合矩形箍柱。箍筋约束混凝土柱的受力机理是利用复合钢箍或螺旋钢箍约束核心混凝土受压时的横向应变，使核心混凝土处于三向受压状态，从而提高混凝土强度，增加延性。这种类型柱在设计使用时，柱截面需做成圆形，适用性和灵活性差；采用焊接钢箍时，焊接麻烦，用钢量大，同时，钢箍约束核心混凝土横向应变有限，柱承载力提高和延性能的改进也是有限的。（2）钢纤维混凝土柱。钢纤维混凝土是一种由水泥、粗细集料和随机分布的短纤维组合而成的复合材料。由于钢纤维阻滞基体混凝土裂缝的扩展，使其各项物理力学性能都比普通混凝土有明显的提高和改善。试验研究表明，随着钢纤维含量提高，混凝土极限压应变明显增大。在其他各项条件基本相同的情况下，掺入适量钢纤维能够明显提高构件的延性。（3）钢管混凝土柱。根据裁面形式不同，可分为方钢管混凝土柱、圆钢管混凝土柱和多边形钢管混凝土柱。钢管混凝土是将混凝土注入封闭的薄壁钢管内形成的一种组合结构材料，它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互制约，使其具备了优异的工作性能：承载力高、塑性和韧性好、经济效果好。采用钢管混凝土结构替代钢结构柱，可节約钢材50%左右；若替代钢筋混凝土柱，则在用钢量大体相同的情况下可减小柱截面面积50%左右。相应节约大量混凝土。（4）钢骨混凝土柱。该类型柱是指在钢筋混凝土柱中配置钢骨，同时配有构造钢筋及少量受力钢筋。配置钢骨的形式可分为实
腹式和空腹式。不同形式的钢骨混凝土柱截面形式不同。钢骨混凝土柱不受最大配筋率限制，混凝土中配置较多的钢材，能有效地减少柱截面尺寸，满足建筑功能要求。同时，钢骨可以承担施工荷载，可作为施工荷载的承力系统。（5）分体柱。该类型柱是将钢筋混凝土短柱采用隔板将一个整截面柱分成2 个或4 个等截面小柱。各小柱独立配筋，梁柱节点仍为一个整体。试验研究表明，对钢筋混凝土短柱采用分体柱的方法可以实现变“短柱”为“长柱”的设想，框架柱破坏形态由剪切型转变为弯曲型，延性明显提高，但柱承载力略有下降，因此柱截面尺寸不仅没有减小，反而略有增大。（6）高强混凝土柱。高强混凝土是指混凝土强度等级为C50-C80 的混凝土。由于其抗压强度高，使钢筋混凝土柱的承载力大幅度增加，在相同的荷载下可减小构件的截面尺寸，增大使用空间，避免短柱出现。应用较高强度等级混凝土时，需考虑施工条件的可行性。
2、高层建筑结构承重柱的轴压比限值
（1）柱中轴压比是影响延性的主要因素之一，而影响混凝土柱延性的主要原因在于混凝土部分所分担的轴压力。确定一个合适的轴压比限值，以使混凝土柱的抗震延性得到满足，十分重要。同时轴压比是影响承重柱的破坏形态和变形能力的重要因素。《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）为了保证钢筋混凝土柱具有足够的延性，对柱的轴压比限值做出了规定，希望框架发生大偏心受压破坏，保证框架柱在地震作用下发生大变形时具有较好的延性，从而保证框架结构有足够的变形能力。实现框架大震不倒的抗震设计目标。表1 是建筑抗震设计规范对钢筋混凝土柱轴压比的限值。
表1 钢筋混凝土柱轴压比的限值
抗震等级 一级 二级 三级
框架柱 0.7 0.8 0.9
框支柱 0.6 0.7 0.8
对于箍筋约束混凝土柱，采用井字复合箍、复合螺旋箍、连续复合矩形箍钢筋混凝土柱，轴压比限值可增加0.10，但应保证最低配箍率的要求。
（2）高强混凝土柱材料的性能A、在材料的性能上，高强混凝土延性比普通混凝土延性差，在外荷作用下容易发生脆性破坏，但通过适当的配筋构造措施，用高强混凝土制作的构件延性同样可以满足设计要求，因此，其轴压比限值可不降低。B、钢纤维混凝土柱的性能。与普通混凝土类似，存在大偏心受压破坏和小偏心受压破坏两种破坏形态。当钢纤维掺入量在1%-2%范围内，钢纤维混凝土抗压强度提高幅度较小。参照钢筋混凝土框架柱轴压比限值理论分析，钢纤维混凝土柱轴压比限值可略有提高。C、钢管混凝土柱的性能。基于钢管混凝土压弯构件的水平力和位移恢复力特性的理论分析结果，钢管混凝土构件用于高层建筑中时，可采取限制长细比的办法，不必限定轴压比。D、钢骨混凝土柱的性能，相关研究根据钢骨混凝土柱正截面承载力和低周期反复水平力作用下的静力试验结果，从钢骨混凝土柱界限破坏时内力的平衡条件出发，推导出轴压比的理论计算公式，经简化后提出了实用计算公式。计算表明，钢骨混凝土柱的轴压比限值
一般比钢筋混凝土柱的轴压比限值高25%-50%。E、分体柱的性能。由于“短柱”变为“长柱”，实现了框架柱的破坏形态的转变，因此，其轴压比不应受到限制。
3、改善短柱抗震性能的对策
改进配筋构造型式，加强核心混凝土有效约束，如配置螺旋箍筋、复式箍筋、斜向交叉配筋等。（1）提高构件承载力，减小轴压比，如钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱和高强混凝土柱等；（2）改进材料性能，提高混凝土变形能力，如钢纤维混凝土柱等；（3）采用分体柱，变短柱为长柱。
4、高层建筑结构承重柱的造型与合理化建议
（1）在工程实际应用中，经常选用的型钢、钢管、高强混凝土组合而成的复合柱、如型钢高强混凝土柱、钢管高强混凝土柱、双层钢管混凝土柱、充满型型钢混凝土柱等。
（2）承重柱选型时，应视柱轴力大小，根据施工技术和经济指标综合确定。选用箍筋约束混凝土柱、钢纤维混凝土柱和分体柱能有效地改善承重柱的抗震性能；选用高强混凝土柱、钢管混凝土柱和钢骨混凝土柱是承重柱截面尺寸减肥的有效方法。
（3）不同类型的承重柱轴压比限值选定不宜过高，也不宜过低。如果轴压比限值过高，在高轴压比情况下，在水平荷载施加之前，柱已产生较大的预压应变，预压应变降低截面的塑性转动能力，使构件的延性变差。如果轴压比限值过低，柱截面尺寸过大，可能柱变为短柱，反而降低了构件的延性。因此，在满足构件有限延性的基础上，选定合适的轴压比限值，使构件能获得较大的水平抗力。