高层建筑各类柱的选择及应用

　　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λ>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λ<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<λ<2时，其轴压比限值应比表中数值减小0.05，剪跨比λ<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。 

 

 

　　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。 

 

 

　　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。 

 

 

　　从柱轴压比计算公式可知，当N(轴压力).μ(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。 

 

 

　　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。 

 

 

　　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的规定共同采用时，轴压比限值可以比表中数值增大0.15，但λ�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λ�V<2的短柱也并不适应。 

 

 

　　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的框架，框架――剪力墙以及框支剪力墙结构，剪跨比λ<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。 

 

 

　　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: 

　　μ=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λ�V<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。 

 

 

　　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θ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。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复杂节点构造，防火性能好。 

　　（4）分体柱的各单元柱内增设的钢筋砼芯柱，不仅可以提高分体柱的延性，还可以减小柱子的截面尺寸等。 

　　 

　　参考文献 

 

　　［1］ 王宗昌 建筑设计与施工常见问题及对策 北京 中国建筑工业出版社2010.7. 

　　［2］ 何湘多层框架结构设计降低含钢量的一些措施［J］.建筑技术，2007（11）：863～865. 

　　［3］ JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程［S］. 

　　［4］ GB50009-2001建筑结构荷载规范（2006版）［S］.