改善鋼筋混凝土柱延性方法的綜述

孫 飛

0 引言

鋼筋混凝土柱是框架結構中主要的受力構件,在抗震規范中,對框架柱的設計提出了很多的要求。首先,要想提高框架結構的抗震性能,必須確保結構有足夠的延性,構件延性好的框架結構能吸收較多的地震能量,抗震性能就好。所謂延性好,是指受彎構件在受拉鋼筋屈服之前不產生混凝土受剪或受壓的脆性破壞,受壓構件不產生受剪的脆性破壞。因此,在進行框架結構設計時應遵循“強柱弱梁”的設計原則,使塑性鉸出現在梁端,以增強構件的延性。

1 鋼筋混凝土柱延性的影響因素

1)柱的截面形狀。框架柱的截面形狀,將直接影響框架柱截面界限破壞時鋼筋和混凝土內應力應變的分布,還將嚴重影響混凝土受壓邊緣的極限壓應變,為了保證框架柱有足夠的延性,框架柱的截面尺寸必須在兩個主軸方向的剛度相差不宜太大,矩形柱截面長寬比不宜超過1∶1.5,柱的凈高與截面高度h之比不宜小于4。

2)混凝土強度等級。提高混凝土強度可以在不加大截面的情況下提高軸壓比,但是如果采用高強度混凝土,由于目前有些建筑施工單位的施工水平受限,實際上很難達到設計要求。另一方面,隨著混凝土強度等級的提高,混凝土的極限壓應變變小,變形能力變差,對柱子的延性將產生極為不利的影響。

3)軸壓比。軸壓比指框架柱組合的軸壓力設計值與柱的全截面面積和混凝土抗壓強度設計值乘積之比值。通過限制框架柱軸壓比,保證框架柱有足夠的變形能力,使鋼筋混凝土框架柱在地震作用下不致發生脆性破壞,繼而保證框架柱“壞而不倒”。

4)柱的剪跨比。從以往的有關資料中得知,剪跨比(λ=Hn/2h0)能大體反映出截面上彎曲正應力和剪應力的比例關系,是決定框架柱延性破壞還是脆性破壞的主導因素。鋼筋混凝土框架柱剪跨比越大,延性越好。

5)縱向鋼筋的配筋率。從實際工程設計中可以得知,增大縱向鋼筋配筋率對框架柱本身是有利的,在一定程度上能提高框架柱截面的延性。但是,當縱向配筋量達一定值時,對框架柱變形能力的提高就很不明顯了,而且如果縱向鋼筋量過大,容易使柱子產生剪切破壞或粘結破壞,使延性變差。因此,抗震規范中規定了框架柱的最小配筋率。

6)箍筋的形式和配箍率。由于箍筋能改善混凝土的受力性能,特別是能有效提高混凝土受壓區邊緣的最大應變,因此,當箍筋含量特征值(λk=(ρsvfyv)/fc)越高,柱子的延性提高越大。箍筋的形式一般有普通鋼箍、螺旋鋼箍和復合式鋼箍,從受力效果和施工方便程度來考慮,以復合箍為好。

2 改善鋼筋混凝土柱延性的方法

2.1 提高框架柱的材料性能

改善框架柱材料性能的一種方法是直接采用高強高性能混凝土,近年來我國在研制和應用高強高性能混凝土方面取得了飛速發展,積累了豐富的經驗。

改善框架柱材料性能的另一種方法是采用鋼纖維混凝土,即在普通混凝土中摻入鋼纖維,使得混凝土的材料特性向鋼材靠攏,可以有效地改善混凝土柱的延性。

2.2 使用復合螺旋箍筋

高層建筑框架柱的抗剪能力是應該滿足剪壓比限值和“強剪弱彎”要求的,柱端的抗彎承載力也是應該滿足“強柱弱梁”要求的。對于短柱,只要符合“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的要求,是能夠做到使其不發生剪切型破壞的。因此,使用復合螺旋箍筋來提高柱子的抗剪承載力(見圖1),改善對混凝土的約束作用,能夠達到改善短柱抗震性能的目的。

2.3 提高框架混凝土柱的抗壓承載力

為了提高框架柱的受壓承載力,以減小框架柱的截面尺寸而提高框架柱的剪跨比,可以采用勁性混凝土(即在框架柱中配置型鋼)或在柱子中配置無間隙彈簧體系(簡稱NCS體系)的方法(如圖2,圖3所示),配置在框架柱中的型鋼和NCS體系既能提高框架柱的受壓承載力,又能提高框架柱的受剪承載力,從而有效提高框架柱的抗震性能。但其應用的局限性是施工困難,尤其是節點處混凝土澆筑更為困難;且對于超短柱,混凝土與型鋼之間容易發生粘結破壞。

2.4 分擔框架柱的水平剪力

短柱的破壞是由于框架柱承擔的剪力過大,因此可以在框架柱中沿柱的凈高交叉配置“X”形鋼筋(如圖 4所示),直接承擔框架柱所承擔的一部分剪力,降低框架柱的剪壓比,實現強剪弱彎,從而改善框架柱的抗震性能。

2.5 采用分體柱

人為削弱抗彎強度的方法,可以在柱中沿豎向設縫將短柱分為2個或4個柱肢組成的分體柱,分體柱的各柱肢分開配筋。在組成分體柱的柱肢之間可以設置一些連接鍵,以增強它的初期剛度和后期耗能能力。一般,連接鍵有通縫、預制分隔板、預應力摩擦阻尼器、素混凝土連接鍵等形式。

對分體柱工作性態的理論分析和試驗研究表明：采用分體柱的方法雖然使柱子的抗剪承載力基本不變,抗彎承載力稍有降低,但是使柱子的變形能力和延性均得到顯著提高,其破壞形態由剪切型轉化為彎曲型,從而實現了短柱變“長柱”的設想,有效地改善了短柱尤其是剪跨比λ≤1.5的超短柱的抗震性能。分體柱方法已在實際工程中得到應用。

2.6 采用鋼骨混凝土柱

鋼骨混凝土柱由鋼骨和外包混凝土組成。鋼骨通常采用由鋼板焊接拼制或直接軋制而成的工字形、口字形、十字形截面。

與鋼結構相比,鋼骨混凝土柱的外包混凝土可以防止鋼構件的局部屈曲,提高柱的整體剛度,顯著改善鋼構件出平面扭轉屈曲性能,使鋼材的強度得以充分發揮。

由于鋼骨混凝土柱充分發揮了鋼與混凝土兩種材料的特點,具有截面尺寸小,自重輕,延性好以及優越的技術經濟指標等特點,如果在高層或超高層鋼筋混凝土結構下部的若干層采用鋼骨混凝土柱,可以大大減小柱的截面尺寸,顯著改善結構的抗震性能。

2.7 采用鋼管混凝土柱

鋼管混凝土是由混凝土填入薄壁圓形鋼管內而形成的組合結構材料,是套箍混凝土的一種特殊形式。由于鋼管內的混凝土受到鋼管的側向約束,使得混凝土處于三向受壓狀態,從而使混凝土的抗壓強度和極限壓應變得到很大的提高,混凝土特別是高強混凝土的延性得到顯著改善。同時,鋼管既是縱筋,又是橫向箍筋,其管徑與管壁厚度的比值至少都在90以下,這相當于配筋率至少都在4.6%以上,遠遠超過抗震規范對鋼筋混凝土柱所要求的最小配筋率限值。由于鋼管混凝土的抗壓強度和變形能力特佳,即使在高軸壓比條件下,仍可形成在受壓區發展塑性變形的“壓鉸”,不存在受壓區先破壞的問題,也不存在像鋼柱那樣的受壓翼緣屈曲失穩的問題。

2.8 減輕建筑物的恒載

采用輕質高強結構材料及輕質填充墻材料,是減輕結構自重,降低鋼筋混凝土框架柱軸壓比的有效方法。

3 結語

鋼筋混凝土柱的延性與多種因素有關,提高材料性能、采用復合式螺旋箍筋、勁性(型鋼)混凝土、NCS體系、“X”形鋼筋、鋼骨混凝土、鋼管混凝土和分體柱是改善鋼筋混凝土柱延性,提高柱的抗震性能的幾種有效方法。特別是采用延性很好的鋼管混凝土和勁性(型鋼)混凝土更為優越,其柱子截面可以減小至一半。另外,鋼筋混凝土分體柱技術,直接變短柱為“長柱”,概念清晰、設計簡單,從根本上改變了短柱的抗震性能,提高了鋼筋混凝土高層建筑結構的抗震安全性。

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