02改善钢筋混凝土短柱抗震性能的若干措施

建筑结构

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改善钢筋混凝土短柱抗震性能的若干措施

\"李忠献\"郝永昶#，

（）#%西安建筑科技大学&#$$’’；\"%天津大学!$$$&\"

［提要］钢筋混凝土短柱的脆性破坏往往是造成钢筋混凝土框架结构破坏甚至倒塌的一个重要因素，国内外较为广泛地开展了改善钢筋混凝土短柱抗震性能的研究。基于对国内外研究的归类分析，讨论了若干改善钢筋混凝土短柱抗震性能措施的优缺点及适用范围，可供工程设计人员参考。［关键词］钢筋混凝土

短柱

抗震性能

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一、引言

钢筋混凝土材料本身自重较大，所以对于高层建筑的底层柱，随着建筑物高度的增加，其所承担的轴力不断增加，即轴压比越来越大，而抗震设计对结构构件有明确的延性要求，在层高一定的情况下，为提高延性就要将轴压比控制在一定的范围内而不能过大，这样则必然导致柱截面的增大，从而形成短柱、甚至成为剪诸如图书馆的书库，层高跨比!#%’的超短柱。另外，较低的设备层、转换层和储藏室，高层建筑物的地下车库等由于使用荷载很大、层高较低，在设计中不得不设计成短柱；有时由于建筑设计中大开窗等要求，也会形成小剪跨比的短柱。在工程设计中，短柱有越来越普遍的趋势，如何提高钢筋混凝土短柱、特别是超短柱的抗震性能是高层钢筋混凝土建筑亟待解决的问题。

短柱的破坏形式一般为剪切破坏或粘结破坏，均属脆性破坏。起初，设计人员对短柱进行设计时，为避免其发生剪切破坏，普遍采用加密箍筋的方法，但历次大地震中短柱破坏仍然是造成钢筋混凝土框架结构破坏甚至倒塌的一个重要因素。各国在上世纪&$年代开始对影响短柱抗震性能的主要因素进行分析，并逐步提出了一些改善钢筋混凝土短柱抗震性能的方法。下面就目前国内外的一些改善短柱抗震性能的主要方法进行分析。

二、改善钢筋混凝土短柱抗震性能的方法对短柱抗震性能研究后发现，构件的受剪承载力和受压承载力是影响短柱抗震性能的主要因素，因此最初的设计一般是从影响短柱抗震性能的内因入手。

#%第一类方法是用提高构件受剪承载能力和受

压承载能力的方法来改善短柱的抗震性能，主要措施有两种：第一种是提高构件的受剪承载力，因为从实际工程中短柱的破坏情况和大量的短柱实验可以看出，若只是一味地加密箍筋，最后可能由于剪压比过大而导致构件发生受压区混凝土压溃的脆性破坏，设计人员很直观地想到了在柱中配置螺旋箍筋、普通复合箍筋（见图#），加强对混凝土的约束，使混凝土的抗压强度得到提高，从而防止构件在大剪压比情况下发生剪压破坏以改善柱子的抗震性能。但是通过实验，人们发现在反复荷载作用下普通复合箍筋有松扣的危险，单螺旋箍的效果又难以达到设计要求，就进一步采用

［［\"，#］!］了复合矩形螺旋箍以及后来的高强复式螺旋箍

（见图\"）来提高柱子的受剪承载力，由于这种方法中的箍筋是由一根钢筋弯制而成，有效地克服了普通复合箍筋在反复荷载下松扣的危险，并加强了箍筋对混凝土的约束，从而达到改善短柱抗震性能的目的，但其对于超短柱的效果难以确定，而且对于施工管理和技术的要求十分严格，目前还难以普及。

第二种是从提高构件的受压承载力入手，以减小柱子的截面，提高剪跨比，从而改善整个结构的抗震性能。源于这一思路最为直接的方法是通过增强混凝土

图#箍筋示意图图\"复式螺旋箍示意图

B

钢骨混凝土的优缺点，提出了钢管混凝土叠合柱的方

［*］，如图%（+）所示，即以钢管混凝土柱为核心，承受法

结构的初期荷载，待结构主体施工到一定高度后，再在钢管混凝土柱外围绑扎钢筋，叠浇混凝土，形成叠合构件，由于后期叠浇混凝土所承受的轴力较小，因此其轴

图!配置型钢、\"#$体系

及核心配筋示意图

图%钢管混凝土（叠合柱）示意图

压比也较小，从而使叠合柱具有较好的抗震性能，同时克服了钢管混凝土用钢量较大、节点施工困难以及需要特殊的防火处理等缺点。

使,-第二类方法是从改善构件的材料性能入手，混凝土既具有较高的抗压强度又具有较好的延性，目

［.］前源于这一思路的主要方法是采用钢纤维混凝土，

的强度即采用高强混凝土来增加柱子的受压承载力、降低其轴压比，但由于高强混凝土材料本身的延性较差，难以实现建筑规范对建筑物“大震不倒”的要求。之后，研究人员想到了钢骨混凝土（即在柱子中配置钢构件，钢构件通常采用由钢板焊接拼制或轧制而成的工字形、口字形、十字形截面等）的方法、在柱子中配置

无间隙弹簧体系（\"#$体系）

以及核心配筋的方法［%&’］!所示），配置在柱子中的钢构件、无间隙弹簧体系以及核心高强的粗钢筋主要承担轴向压力，与钢筋混凝土共同承担外荷载而形成复合结构，从而可以减小柱截面，使柱剪跨比增加，接近或成为长柱；另一方面，即使在相同的剪跨比情况下，由于混凝土承担的轴向压力减小，使柱子的延性得到提高，加上钢骨本身良好的塑性，也能使柱子具有较好的延性，而满足抗震要求。这一方法目前的局限性：一是施工比较困难，尤其是节点处混凝土的浇筑更为困难；二是对于剪压比很大的短柱，由于钢构件与混凝土之间粘结不是很好而使其效果难以确定。其后研究人员在钢骨混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上又提出了钢管混凝土即将柱子

外包钢管的方法

［(］，如图%（)）所示。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于受约束状态，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善。同时，由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，保证其材料性能的充分发挥；而且由于钢管混凝土的抗压强度和变形能力特佳，即使在高轴压比情况下，仍可形成在受压区发展塑性变形的“压铰”，不存在受压区先破坏的问题；另外，在钢管混凝土的施工过程中，钢管还可以作为浇筑其核心混凝土的模板，与普通钢筋混凝土相比，采用钢管混凝土可以节省模板费用，加快施工速度。总之，钢管混凝土不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能够充分发挥二者的优点，可以说是一种比较好地改善短柱抗震性能的方法，钢管混凝土柱结构形式目前在国内外具有良好的发展前景。但是由于材料工作机理的差异使这一方法的理论研究目前还有很多分歧难以统一，另外钢管混凝土还有用钢量较大、节点施工困难以及需要特殊的防火处理等缺点。于是研究人员综合钢管混凝土与

即在普通混凝土中掺入乱向分布的短纤维，能阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，以提高其抗拉、抗折和抗冲击性能乃至抗压性能，尤其与高强混凝土结合后可以有效地改善短柱的抗震性能，有较好的发展前途，但目前它的缺点主要是造价过高，施工工艺复杂。

!-第三类方法即在柱中配置“/”筋的方法［

01，00］

2所示），设计人员从影响结构抗震性能的外因

即荷载效应入手，受梁中弯起筋的启发，想到了/形对角线配置的钢筋在受力计算时分解为水平分力和垂直分力，垂直分力保证柱的弯曲承载力，水平分力则协助柱子来承担一部分外剪力，降低了柱子的剪压比，实现了强剪弱弯的设计思想，从而改善了柱子的抗震性能，但这一方法对于剪跨比!0-2的超短柱的效果如何，目前还不十分肯定，因此有待进一步的研究。

%-第四类方法则是从改善整个构件的性能入手，提出了分体柱即采用隔板将整截面柱分成%根等截面

柱并分开配筋的方法［0,］（如图’所示）。这一方法的

思路是出于建筑物抗震性能主要取决于结构物吸收地震能量的能力，这种能力是由其承载力和变形能力的乘积决定的。承载力较低，但具有较大延性的结构，所能吸收的能量多，虽然较早出现损坏，但能经受住较大的变形，避免倒塌，反之，承载力较高、变形能力低的脆性结构，吸收能量有限，一旦遭遇到超过设计水平的地震作用，很容易发生脆性破坏而突然倒塌，违背了建筑规范中“大震不倒”的设计原则。天津大学与北京市建筑设计研究院经过多年的合作，对分体柱技术进行了

图2/形配筋示意图图’分体柱示意图

.

（如图（如图系统的、深入的试验和理论研究，完成了从钢筋混凝土分体柱单体构件到钢筋混凝土分体柱框架节点直至钢筋混凝土分体柱框架模型的试验研究和理论分析工作，并总结提出了钢筋混凝土分体柱及分体柱框架抗震设计的设计建议，为分体柱技术在钢筋混凝土高层建筑抗震设计中的工程应用提供了可靠的理论基础和翔实的试验依据。分体柱虽然使构件的受剪承载力基本不变，受弯承载力稍有降低，但却使构件的变形能力和延性均得到显著提高，其破坏形态由剪切型转化为弯曲型，实现了短柱变“长”柱的设想，非常有效地改善了短柱尤其是超短柱的抗震性能，从而可以相对地降低高层建筑的层高、增加高层建筑的使用效率；同时，的发生，使国家财产和人民的生命安全得到更有力的保障。

参

考

文

献

周小真#用复合矩形螺旋箍增强柱抗震性能的试验研!\"宋金声，

西安冶金建筑学院学报，（’）究#!$%&，#

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由于分体柱技术没有特殊材料和特殊工艺等的要求，从而可以降低高层建筑造价。而且分体柱技术由于概念清晰、思路明确、设计简单，在得到专家肯定的同时也受到了设计人员的欢迎，在钢筋混凝土多层及高层建筑中具有广阔的应用前景。

三、结语

通过对国内外有关短柱研究的大量资料的整理分析可以看出，困绕着钢筋混凝土高层建筑发展的短柱问题已经有很多解决措施，因此在实际工程中，人们应该根据具体的工程情况选择最经济、最适宜、最有效的方法来提高短柱的抗震性能，避免短柱脆性破坏问题

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钢管高强混凝土叠合柱的轴力分配及名义轴压比限值分析#世界地震工程，!$$$（，&）#$\"高丹盈，刘建秀#钢纤维混凝土基本理论#科学技术文献出版社，!$$M#Q\"倉本譯，井川望，宮井清忠等#S形配筋極短柱的耐力與變形性能#日本建築學會近幾支部硏究報吿集，!$%&#!\"K)*)G)=)J，E61)*)=9J05)3#L8)36)59:;2:16359=)50>510;?

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