高层建筑各类柱的选择及应用

高层建筑各类柱的选择及应用【摘要】高层建筑剪跨比是柱子设计的重要概念。反映了柱截面上弯曲应力与剪切应力的比例关系。同轴压比相比较剪跨比对框架柱的破坏特征起关键作用。本文柱子截面形式及应用分析探讨。【关键词】高层建筑柱；剪跨比；普通砼柱；型钢砼柱；钢管砼柱现行的“高层建筑砼结构技术规程”jgj3――2002中规定了钢筋砼框架柱的轴压比限值，目的是使柱子在包括地震力作用时，在多种荷载效应组合作用组合下处于大偏心受压状态，只产生延性较好的受拉破坏而不是脆性的受压破坏，具有较大的屈服以后变形能力和耗能，具有良好的延性及抗震性能，这即是轴压比的基本概念。而剪跨比也是高层建筑柱子设计的重要概念。其反映了柱截面上弯曲应力与剪切应力的比例关系。同轴压比相比较剪跨比对框架柱的破坏特征起关键作用。资料介绍表明:在正常配筋情况下，当剪跨比入＞2时框架柱在横向水平剪力作用下，一般都会发生延性弯曲破坏；当入＜2时框架柱就变成了短柱，在横向水平剪力作用下一般都会发生脆性的剪切破坏。规程中表6.4.2条注3规定，剪跨比1.5〈入＜2时，其轴压比限值应比表中数值减小0.05,剪跨比入〈1.5,其轴压比限值应专门考虑并采取更加有效的措施处理。高层建筑的房屋高度大，层数多，柱子底部数层的轴向力大，因此首先要满足柱子轴压比要求。由于行业规程对轴压比限制很严，要达到规程要—论文发表专家—ED国寻朮发罢网www.qikanwang,net求柱子截面往往比较大。柱子截面比较大会带来许多问题。如增加了结构的自重，加重地震应力；容易形成短柱甚至更短柱子，易产生脆性破坏；占据宝贵的建筑面积，影响到使用功能。当高层建筑设有设备层时，因设备层层高偏小，而设备层柱子的截面尺寸变化小或者不变化，往往会形成短柱的现象，使柱发生脆性剪切破坏；同时造成设备层上下层侧向刚度差异的加大，甚至使结构形成薄弱层或软弱层。因此，根据建筑物使用特点的不同要求，选择适宜的柱子形式和合理的截面尺寸，经济适用的做好柱子的构造设计，避免和减少短柱和形成结构薄弱层，使建筑物具有较好的延性和抗震性，这也是多高层建筑结构设计中极其重要的一个具体问题。建筑柱子的分类现在多高层建筑中可以采用的柱子截面形式大约有下列几种：（1）普通钢筋砼柱；（2）高强度钢筋砼柱；（3）配有螺旋箍筋的钢筋砼柱；（4）增加芯柱的钢筋砼柱；（5）钢筋砼分体柱；（6）型钢砼柱；（7）钢管砼柱子等。各种类型优缺点如下浅述。普通钢筋砼柱钢筋砼柱的设计及使用，一般是根据现行规范及相关标准，来确定柱子的轴压比例。由此初选柱子的截面尺寸，再进行结构的分析，构件内力组合和配筋计算以及构造设计等。对于多层及高层建筑的

—论文发表专家—ED国寻朮发罢网www.qikanwang,net底层柱，应首选普通钢筋砼柱合适。因柱子的轴向力不是很大，许多情况下柱子要满足规范要求的轴压比限值，截面尺寸又不是很大。高层一般为30层左右的高度，砼用c50级即可，能满足使用要求。普通钢筋砼柱是现在高层建筑中，使用柱子类型最多的一种，由于应用广泛大家熟悉，不再浅介。高规中对普通钢筋砼柱轴压比限值的规定，见表1示。高强度钢筋砼柱从柱轴压比计算公式可知，当n（轴压力）.“（轴压比）一定时，要减小a（截面尺寸）.可加大fc（砼强度等级），即采用高强钢筋砼柱，设计方法同普通钢筋砼柱相同。分析对比可知，与c40砼相比采用c60-c80砼，可减少柱截面1/4~1/3的优良效果，目前许多高层建筑底部柱多采用c60砼。但是高强度砼的延性较差，容易使柱子出现脆性破坏。一般规律是砼强度越高其延性越差，要配制多一些箍筋约束砼脆裂，才可使柱具有较好延性和抗震性。规程中表6.4.2注2规定：当砼强度等级为c65-c70时，轴压比限制要比表中值减小0.05；当砼强度等级为c75-c80时，轴压比限制要比表中值减小0.10。这就不同情况下降低了高强砼减小柱截面了尺寸的效应。同时在长期荷载下柱子的徐变也较大，可以不采纳和使用。现在高层建筑用c65以上高强砼浇筑柱子是不多的。配有螺旋箍筋的钢筋砼柱砼柱处于三向受压状态，不仅要提高其强度更要提高其延性。配

—论文发表专家—ED国寻朮发罢网www.qikanwang,net有螺旋箍筋的钢筋砼柱正是利用了砼的这个特性。现行规范虽然末给出柱的承载力计算和设计方法，但对于其提高高规表6.4.2注4中的规定是:当沿柱全高采用井字复合箍，且箍筋肢距不大于200mm.间距不大于100mm.直径不小于12mm.轴压比限值可增加0.10；当沿柱全高采用复合螺旋箍筋，且箍筋肢距不大于200mm.螺距不大于80mm.直径不小于10mm.轴压比限值可增加0.10。从这个规定可以看出，按增大后的轴压比也可以减小柱子截面。但必须注意的是:柱子长细比lo/h应该小于8；柱端箍筋加密区最小配筋率应按增大后的轴压比确定，即增大配筋率使其更有效约束砼。配有螺旋箍筋的钢筋砼柱的不足之处是，用螺旋箍筋制作困难较多，施工速度慢。而方柱的约束效果不如圆柱好。这也会影响到配有螺旋箍筋的钢筋砼柱应用普及和广泛问题。增加芯柱的钢筋砼柱如果用纵向钢筋代替型钢配置在柱子的核心区。经试验表明与普通钢筋砼柱比较，核心部位配制钢筋柱的承载力变化不大，但具有良好的耗能能力，延性却大大得到提高。核心部位配置钢筋可以减少柱截面尺寸，改善高压比下框架柱的性能。高规表6.4.2注5规定:当柱截面中部设置由附加纵向钢筋形成的芯柱，且附加纵向钢筋的截面面积，不小于柱子截面面积的0.8%时，轴压比限值可以比表中数值增大0.05，当本要求与注4的规定共同—论文发—论文发表专家—E国寻朮凌垂网采用时，轴压比限值可以比表中数值增大0.15，但入 v仍按轴压比增加0.10的要求处理。设置了芯柱可以减小柱截面面积，对施工也提供了便利，尤其用在高层建筑的下层，柱子处理的效果更好，但对Av<2的短柱也并不适应。钢筋砼分体柱用钢筋砼分体柱的特点是采用隔板将整个截面沿柱短方向，分为等截面的单元柱并分别配筋。单元柱之间应有隔板作为填充材料。设有分体柱结构的分析计算是将分体柱刚度，取为外包尺寸相同的整截面柱刚度的0.7倍，按整截面柱的设计方法计算，其层间位移限值应符合整截面柱结构的限值进行。对于分体柱的截面设计是:正截面承载力各单元柱平均分担mc.nc，按砼规范偏压构件计算。斜截面承载力各单元柱平均分担vc,按砼规范剪压柱计算。分体柱轴压比计算：轴压比也是各单元柱平均分担nc，其值应满足抗震规范对于整截面柱轴压比限值的要求。而柱的构造要求是:柱上下端应留有整截面过渡区，过渡区域内箍筋应采用井字复合箍，且箍筋外肢直径应比内肢直径大2mm。由于分体柱的截面尺寸仅是整截面柱截面尺寸的1/2，而柱的净高度不变，就可以有效的解决短柱的存在问题，同时在一定程度上缓解上下层侧向刚度差异较大问题。因此分体柱适合用于高层建筑

—论文发表专家—E国寻朮炭衣网www的框架，框架——剪力墙以及框支剪力墙结构，剪跨比入〈1.5的短柱。如果在层较低的设备层采取分体柱，会避免使用短柱，改善设备层上下层因侧向刚度差异过大，避免形成结构薄弱层和软弱层现象。而分体柱不能减小相应整截面柱截面尺寸，同时分体柱对隔板用材料，施工过程的控制也较高，现阶段工程的实际应用也少。型钢砼柱在钢筋砼柱内配置型钢的含量达5%以上，使型钢骨架和钢筋砼结合为一体，共同受力和工作，这就是型钢砼柱的做法。型钢砼柱既具有钢筋砼结构的特点，又具备钢结构的特性。其刚度大承载力高，具备优良的延性和抗震性能，防火性也好。型钢砼柱的轴压比应按下式计算:|J二n/(fcac+faaa)高规中还规定了型钢砼柱的轴压比限值，见表2。1.框支柱的轴压比限值应比表中数值减少0.10。2.剪跨比不大于2的柱，其轴压比限值应比表中数值减少0.05。3.当砼强度等级大于c60时，表中数值减少0.05。由于柱内配置的型钢骨架参于受压，因而型钢砼柱若是减小柱子截面尺寸效果很明显。在相同外力作用时与钢筋砼柱相比，可以使柱截面尺寸减小40%左右。同时不但能提高柱轴心受力，小偏心受力的承载力，还可以提高大偏心受力柱的承载力，对Av<2的短柱抗剪效果也很好。当建筑房屋高度大，柱间距也大，柱中轴力很大时，抗震等级如是特一级的钢筋砼柱，优先选择用型钢砼柱。现在型钢砼柱多数用在高层建筑的下层部位，转换层以下的框支柱，也有的工程全部采用型钢砼梁柱，如北京的财富中心，上海的金茂大厦等。而型钢砼柱节点核心区构造比较复杂，框架梁纵向受力钢筋必须穿越型钢骨架腹板，对型钢骨架的制作，安装质量要求是很严的，施工过程控制也复杂严格。钢管砼柱在钢管砼内浇筑砼使钢管和管中砼形成整体，共同工作和受力，这就是钢管砼柱的不同构造形式。钢管砼柱可以使钢管内的砼处于有效的侧向约束力，形成三向应力状态，因而能大幅度提高柱子的抗压承载力，同时抗剪强度和抗扭转承载力也能提高一倍。钢管砼受压破坏属于延性破坏，具有优良的延性和抗震性能，其刚度大，截面小，防火性胜过钢结构。钢管砼减小柱子截面尺寸极其明显，如钢管内浇筑高强砼，可以使柱截面减小到原截面的1/2以上。钢管砼柱的钢管外径不能小于100mm，壁厚度不少于4mm,径厚比要取70左右，套箍指标0应控制在0.3〜3.0之间。钢管砼柱多用在高度大，柱中轴力很大的高层建筑物的底部柱效果最好。当抗震等级为特一级钢筋砼柱时，采用钢管砼柱最合适。—论文发表专家—ED国寻朮发罢网www.qikanwang,net近年来整个结构采用钢管砼柱的高层建筑比较多，如广州的新中国大厦，深圳的赛格广场等建筑。但钢管砼柱的缺点也不容忽视，梁柱节点构造复杂，少数钢管砼柱与钢筋砼梁的节点构造还不能满足8度设防的抗震性能要求，需要进一步改进完善，对钢管的制作和安装技术要求和质量控制也是极严格的。从上述对各种类型的柱子简单分析介绍可以看出:高层建筑底部几层林子的主要问题，是如何想办法减小柱子的截面尺寸问题，在满足规范轴压比限值的前提下，有效减小其截面积尺寸，同时就减轻了结构的自重。要避免形成短柱，其它不再是关注的问题。采用高强度砼，配有螺旋箍筋的钢筋砼柱，型钢砼柱及钢管砼柱，增加钢筋砼芯柱的方法均可不同程度的减小柱子截面尺寸。为更有效地满足高层建筑不同情况下柱子的强度和刚度要求，在具体应用时可将不同类型柱子进行组合，使其充分发挥各自的长处而克服不足。如把型钢砼柱中的型钢改为钢管，成为以钢管为芯柱的型钢砼柱，这种柱子具有一些如下优点:（1） 核心钢管对其管内高强砼的可靠约束，使这类柱子比相同截面尺寸的型钢砼柱或增设砼芯柱，具有更高的整截面承载力和更好的延性。（2） 核心钢管的存在了增强了柱子抗剪承载力，提高了框架节点核心区的抗剪强度。（3） 避免钢管砼柱框架的