淺談結構設計中框架柱破壞形態及注意問題

魏大勇 吳喆

（遼寧中遠建筑設計有限公司，遼寧，110025）

淺談結構設計中框架柱破壞形態及注意問題

魏大勇 吳喆

（遼寧中遠建筑設計有限公司，遼寧，110025）

在框架設計中我們雖然強調應符合“強柱弱梁”的設計原則，盡可能使柱子處于彈性階段，但是實際上地震作用具有很大不確定性，同時也不可能絕對防止在柱中出現塑性鉸。為了使柱子具有安全貯備，還是要保證柱子也有一定的延性。

破壞形態；延性；短柱；軸壓比

在國內外歷次大地震中，由鋼筋混凝土柱破壞造成的震害是很多的，房屋是否能夠壞而不倒，很大程度上與柱的延性好壞有關。近年來國內外對鋼筋混凝土柱的抗震性能作了大量試驗研究，提出了保證柱子延性的設計方法及一些構造措施。

一、柱子的破壞形態

柱子的破壞形態有彎曲破壞、剪切破壞、粘結破壞三種類型，具體有：

1、彎曲破壞。通常發生在柱頂或柱底截面。破壞時壓區混凝土壓碎、主筋壓屈。受拉鋼筋有時能達到屈服，有時則達不到屈服。

2、剪切受壓破壞。在荷載作用下，水平彎曲裂縫向斜向發展，形成斜裂縫。當箍筋配置較多時，斜裂縫不會迅速開展，而是剪壓區混凝土在彎、剪的共同作用下壓碎。

3、剪切受拉破壞。當剪跨比較小且配箍率較低時，在主筋受拉屈服后，隨著反復荷載的作用，會產生一條較寬大的斜裂縫，導致箍筋屈服、柱子剪壞。

4、剪切斜拉破壞。一般發生在短柱中。斜裂縫往往沿柱子對角出現，箍筋達到屈服甚至被拉斷，柱子被剪壞

5、粘結開裂破壞。粘結破壞有兩種類型，一是由于鋼筋錨固不足被拔出而破壞；另一種是在柱子彎曲裂縫或剪切裂縫出現后，在反復荷載作用下，沿主筋出現粘結裂縫，使混凝土沿主筋酥裂脫落導致柱子破壞。

以上破壞形式不同，其對應的極限變形能力也不一樣。比較而言，剪切斜拉破壞和剪切受拉破壞屬于脆性破壞，設計中應該避免；粘結破壞延性較差，也應當避免；彎曲破壞和剪切受壓破壞屬于延性破壞，其延性受到許多因素的影響。

在實際工程中，柱子的破壞常常是幾種破壞形態的綜合反映。只是有時某一種破壞形態表現的突出一些。

二、影響框架柱延性重要參數

1、剪跨比λ

剪跨比是影響鋼筋混凝土柱破壞形態的最重要的因素。剪跨比較小的柱子會出現斜裂縫而導致剪切破壞。由試驗研究有如下規律：

剪跨比λ＞2時，稱為長柱，多數發生彎曲破壞，但仍然需要配置足夠的抗剪箍筋。

剪跨比λ＜2時，稱為短柱，多數會出現剪切破壞，但當提高混凝土等級并配有足夠的抗剪箍筋后，可能出現稍有延性的剪切受壓破壞。

剪跨比λ＜1.5時，稱為極短柱，一般都會發生剪切斜拉破壞，幾乎沒有延性。

抗震規范中規定，框架柱的凈高與截面高度比宜大于4。所以，抗震結構中，在確定方案和結構布置時，就應避免短柱，特別是應避免在同一層中同時存在長柱和短柱的情況，否則需要采取特殊措施，慎重設計。

2、軸壓比

軸壓比是影響鋼筋混凝土柱承載力和延性的另一個重要參數。大量試驗表明，隨著軸壓比的增大，柱的極限抗彎承載力提高，但極限變形能力、耗散地震能量的能力都降低。而且抽壓比對短柱的影響更大。

大量試驗表明，在長柱中，軸壓比愈大，混凝土壓區高度愈大，受拉鋼筋屈服的可能性越小，柱子的延性越低。壓彎構件會從大偏壓破壞狀態向小偏壓破壞過渡，小偏壓破壞延性很小或者沒有延性。在短柱中，軸壓比加大也會改變柱的破壞形態，會從剪壓破壞變成脆性的剪拉破壞，破壞時承載能力突然喪失。長柱及短柱的試驗結果顯示，軸壓比愈大，塑性變形段愈短，承載能力下降愈快，即延性減小。

3、剪壓比

三、設計中注意問題：

1、設計中要注意避免短柱的產生。

短柱定義：鋼筋混凝土結構中按內力計算值得到的剪跨比Mc/(Vch0)不大于2、反彎點在柱子高度中部、柱凈高與柱截面高度之比Hn/h不大于4。

注意事項：由于實心磚填充墻對框架柱的約束，如：框架柱間砌筑不到頂的隔墻、窗間墻以及樓梯間休息平臺使框架柱變成短柱。計算時是否短柱時沿填充墻平面內和平面外的柱子凈高不同，柱子的截面高度選取對應方向截面尺寸，而不是選取柱子截面尺寸最大值。

地震破壞特征：剪切型、脆性破壞。

截面驗算：軸壓比限值應比一般柱降低0.05，截面組合的剪力設計值應滿足規范要求。

構造要求：抗震等級為一級時每側縱向鋼筋配筋率不宜大于1.2%；箍筋沿柱子全高加密，間距不應大于100mm，宜采用復合螺旋箍或井字復合箍，其體積配箍率在6～8度時不應小于1.2%，9度時不應小于1.5%；梁柱節點核芯區的體積配箍率不應小于上下柱端的較大值（體積配筋率計算時，可以計入在節點有效寬度范圍內梁的縱向鋼筋）。

超短柱：剪跨比小于1.5的要專門研究，如采取增設交叉斜筋、外包鋼板箍、設置型鋼或將抗震薄弱層轉移到相鄰的一般樓層。

2、防止建筑物扭轉

在結構設計中，盡管角柱軸壓比較小 ，但其在抗扭過程中作用卻很大 (若角柱先壞 ，整個結構的扭轉剛度或強度下降 ，中柱必定依次破壞 )，同時 ，在水平力的作用下 ，角柱軸力的變化幅度也會很大 ，這樣勢必要求角柱有較大的變形能力。所以，角柱設計時在承載力和變形能力上都應有較多考慮 ，如加大配箍 ，采用密排箍筋柱、鋼管混凝土柱。

3、重視柱子軸壓比

在高層建筑結構設計中 ，柱軸壓比的限值已成為困擾結構工程師的實際問題 ，隨著建筑高度的增加 ，結構下部柱截面也越來越大 ，而柱的縱向鋼筋卻為構造配筋 ，即使采用高強混凝土 ，柱截面也不會明顯降低。實際上 ，柱的軸壓比大小 ，直接反映了柱的塑性變形能力 ，而構件的變形能力會極大地影響結構的延性。混凝土基本理論指出 :混凝土構件的曲率延性 ，即彎曲變形能力主要取決于截面的相對受壓區高度和受壓區邊緣混凝土的極限變形能力。相對受壓區高度主要取決于軸壓比、配筋等 ，混凝土的極限變形能力主要取決于箍筋的約束程度 ，即箍筋的形式和配箍特征值 (λ =ρfy fc)。因此 ，為了增大柱在地震作用下的變形能力 ，控制柱的軸壓比和改善配箍具有同樣的意義 ，因而采用密排螺旋箍筋柱或鋼管混凝土均可以提高柱軸壓比的限值。

4、注意強柱弱梁

延性框架設計的基本原則之一是“強柱弱梁”。從抗彎角度來講，要求柱端截面的屈服彎矩要大于梁端截面的屈服彎矩，使塑性鉸盡可能出現在梁的端部，從而形成強柱弱梁。在梁端出現塑性鉸，一方面框架結構不會變成機構，而且塑性鉸的數目多，消耗地震能的能力強；另一方面，受彎構件具有較高的延性，結構的延性有保障。

在地震作用下，對于強柱弱梁型結構，塑性鉸首先出現在梁中，當部分梁端甚至全部梁端均出現塑性鉸時，結構仍能繼續承受外荷載，而只有當柱子底部也出現塑性鉸時，結構才達到破壞。

由此可知，柱中出現塑性鉸，不易修復而且容易引起結構倒塌；而塑性鉸出現在梁端，卻可以使結構在破壞前有較大的變形，吸收和耗散較多的地震能量，因而具有較好的抗震性能。

[1] 黃世敏，楊沈 建筑震害與設計對策 中國計劃出版社

[2] 周錫元 吳育才 工程抗震的新發展 清華大學出版社

[3] GB 50011-2010 建筑抗震規范 中國建筑工業出版社

TU108

1674-3954（2011）03-0243-01