钢筋混凝土结构框架柱截面尺寸设计

1、钢筋混凝土结构框架柱截面尺寸设计徐湘涛（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059）摘要：在结构方案和结构荷载确定后，影响框架柱截面尺寸的控制因素主要为轴压比限值、层间位移角限值和剪压比限值。在结构设计中，可先进行框架柱截面尺寸估算，并判定框架结构抗震等级，然后通过PKPM软件试算，根据相应的控制因素限值进行框架柱截面尺寸修正，可取得更佳的技术经济指标。关键词：钢筋混凝土结构；框架柱；截面尺寸；PKPMDESIGNOFSECTIONSIZEOFFRAMECOLUMNSFORREINFORCEDCONCRETESTRUCTURESXuXiangtao（StateKey

2、LaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China）Keywords：reinforcedconcretestructure；framecolumn；sectionsize；PKPM目前，钢筋混凝土结构框架柱截面尺寸的确定大多采用估算方法，如果估算的截面尺寸符合要求时，便按估算的截面尺寸作为框架柱的最终截面尺寸；如果所需的截面尺寸与估算的截面尺寸相差较大，则需要重新估算和重新计算。如何合理确定框架柱的截面尺寸以满足使用要求并取得更

3、佳的技术经济指标，已成为结构设计的关键技术问题。1柱截面尺寸控制因素分析N=NNAcfc（1）式中：N为柱组合的轴压力设计值；Ac为柱的全截面面积；fc为柱混凝土轴心抗压强度设计值；N为柱轴压比限值，对框架结构一级、二级和三级抗震层间位移角抗震变形验算是满足建筑正常使用功能的重要措施，也是抗震性能设计的重要内容，当前采用层间应位移角来衡量结构的变形能力。针对框架结构，进行多遇地震作用下的抗震变形验算，其楼层内最大的弹性层间位移角应符合下式ue=eh1影响框架柱截面尺寸的因素众多且比较重要，如层间位移角、轴压比、剪压比、纵筋含量和强度、配箍率、箍筋强度、混凝土强度、保护层厚度等。一般而言，当竖向

4、荷载效应显著大于水平作用效应时，框架柱的截面尺寸大多由轴压比因素控制；反之，烈度越高、建筑层数越多，与水平效应相关的控制因素（如层间位移角限值、剪压比限值）将更为突出。1.1轴压比试验研究表明，受压构件的位移延性随轴压比增加而减小，限制框架柱的轴压比主要是为了保证框架结构的延性要求。针对框架结构，框架柱的轴1压比N应符合下式要求：44Industrial，要求：（2）式中：ue为多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性层间位移；e为弹性层间位移角限值，钢筋混凝土框架结构取e=1/550；h为计算楼层层作1978年出生，者：徐湘涛，男，讲师。收稿日期：20090717高。1.3剪压比剪跨比和剪压

5、比是判别抗侧力构件抗震性能的重要指标，前者用于区分变形特征和变形能力，后者用于限制内力和保证延性。GB500112001建筑1抗震设计规范规定，框架柱的剪跨比宜大于2。针对剪跨比大于2的框架柱，其剪压比在有地震2组合时应符合下式要求：REVc（3）0.2cfcbh0式中：RE为承载力抗震调整系数，取0.85；Vc为框架柱的剪力设计值；fc为柱混凝土轴心抗压强度设=h0分别为柱截面宽度、截面有效高度；c为计值；b、C80混凝土强度影响系数，当不超过C50时取0.2，时取0.16，其间按线性内插法确定。1.4控制因素分析据相关研究3可将其适当缩小，根据PKPM试算结果，般稍偏大，再增加柱截面类型、

6、柱变断面层数；而后判定框架结构抗震等级，根据相应的控制因素限值验算并检查配筋面积，经反复试算后，最终确定柱截面类型和尺寸（图1）。经过上述步骤，可以实现满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的条件下，使柱截面尺寸取得更佳的技术经济指标。，在结构方案和结构荷载确定后，框架柱截面尺寸控制因素主要为层间位移角限值、轴压比限值和剪压比限值（表1）。抗震等级为三、四级时，柱截面主要由轴压比限值控制，依据轴压比公式估算柱截面尺寸是合适的；抗震等级为二弹性层间位移角与轴压比对框架底层柱的影级时，响程度相当；当为高烈度区、层数较少的二级框架可依据轴压比控制柱截面尺寸；当为中、低烈度时，区、层数较多的二级框架时

7、，应主要考虑弹性层间位移角限值要求；抗震等级为一级时，框架底层柱截面主要由最小抗剪截面限值条件控制，剪压比验算应成为设计的关键环节。表1Table1地震烈度6度7度8度9度Fig.1图1框架柱截面设计流程Optimumdesignflowchartofframecolumnssection2.1柱截面尺寸估算框架柱的截面尺寸应根据承受竖向荷载大小、抗震设防烈度、轴压比限值、混凝土强度等级、从属面积等因素综合考虑确定，一般可根据柱的轴压比4限值按下式估算：nAgEN=（4）NfcNfc式中：Ac为柱截面面积；N为柱组合的轴压力设计值；n为验算截面以上楼层数；为考虑地震作用组Ac按上述方法确定的柱

8、截面高度不宜小于400mm，框架柱截面尺寸控制因素分析Controllingfactorsofframecolumnssection高度/m30>3030>3030>3025抗震等级四三三二二一一控制因素轴压比限值轴压比限值轴压比限值弹性层间位移角限值轴压比限值剪压比限值剪压比限值2柱截面尺寸设计钢筋混凝土结构的优化设计就是让结构在满足承载力要求的情况下，使构件的混凝土、钢筋用量的总价最小，可借助PKPM软件进行。在框架结构设首先应将板、梁截面尺寸调整合理，并选计过程中，定相应的材料强度等级、分析与设计参数，然后输入估算的柱截面进行试算；由于估算的柱截面尺寸一宽度不宜小于35

9、0mm，柱净高与截面长边尺寸之比宜大于4。2.2构造措施框架柱的截面边长非抗震设计时不宜小于250mm，抗震设计时不宜小于300mm；圆柱截面直径不宜小于350mm。柱截面尺寸宜用整数，当柱截宜取50mm的倍数；当面尺寸小于等于800mm时，柱截面尺寸大于800mm时，宜用100mm的倍数。5柱剪跨比宜大于2，截面高宽比不宜大于3。为减少构件类型以简化施工，多层房屋中柱截面沿房屋高度不宜改变，高层建筑中柱截面沿房屋高度可根据房屋层数、高度、荷载等情况保持不变或作12次改变。框架柱上、下层截面高度不同时，从下至上，边柱一般采取内缩，中柱宜采取两边缩，每次缩小的柱截面高度以100150mm为宜。现

10、浇框架柱混凝土等级，当抗震等级为一级时，不得低于C30；抗震等级为二、三、四级及非抗震时，9度不得低于C20；设防烈度8度时不宜大于C70，5柱截面尺寸控制因素验算轴压比验算3算例某框架结构办公楼（图3），主体结构8层，层高3.3m，7度（0.10g）设防烈度，设计地震分组第一组，场2地类别类，框架抗震等级三级，基本风压0.3kN/m，地面粗糙度类别为C类。经试算后确定梁截面为200mm×450mm、楼（屋）面结构板，厚120mm。楼22面恒载为4.75kN/m、活载为2.0kN/m，屋面恒载22为6.70kN/m、上人屋面活载为2.0kN/m，梁间荷梁、柱载为10.0kN/m。板混

11、凝土强度等级为C20，混凝土强度等级为C25，板钢筋类别为HPB235，梁、柱钢筋类别为HRB335。“混凝土构件轴压比控制验算可以通过SATWE配筋及钢构件验算简图”实现，该菜单功能是以图形方式显示配筋计算结果（图2），若轴压比Uc超限，则以红色数字显示；反之，以白色数字显示。Fig.3图3办公楼结构平面布置Structureplanoftheofficebuilding首先，进行柱截面估算，采用方形柱，估算中柱、521、369mm，边柱、角柱边长分别为599、应分别取600、550、400mm，试算后，满足要求（图4）。由于该框架结构抗震等级为三级，柱截面控制因素为轴压比限值，可通过缩小柱

12、截面尺寸并控制柱截面轴压比限值进行优化设计；由于为多层房屋，沿房屋高度可不予改变。经试算后，在满足要求的前提下，柱截面中柱、边柱、角柱边长可分别取500，450，400mm（图5）。相比于估算截面，修正后的框架柱截面尺寸大大减小。a矩形截面；b圆形截面Asc柱一根角筋的面积；Asx、Asy该柱B边、H边的单边配筋面积（含2根角筋）；Asvj柱节点域抗剪箍筋的面积；GAsvAsv0柱加密区/非加密区斜截面抗剪箍筋的面积；Uc柱的轴压比；As圆柱全截面配筋面积图2Fig.2框架柱配筋示意6cm2Reinforcementdiagramofframecolumnsa中柱；b边柱；c角柱注：图中数字和

13、字符的含义与图2相同。图4Fig.4估算截面验算结果示意Checkdiagramoftheestimatedsections“水平力作用下层间位移角控制验算可以通过考虑地震作用组合的框架柱受剪截面的剪压比应满足剪压比限值，当不能满足要求时，程序给出超“超配筋信息WGCPJ.OUT”筋信息，在SATWE中提“节点域抗剪超限”，示在配筋简图上则以红色字符表示6a中柱；b边柱；c角柱注：图中数字和字符的含义与图2相同。图5Fig.5修正截面验算结果示意Checkdiagramoftheoptimizedsections，此时应加大截面或提高混凝土强度等级。（下转第59页）464ZhangYG，Zha

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