改善钢筋混凝土柱延性方法的综述

孙 飞

0 引言

钢筋混凝土柱是框架结构中主要的受力构件,在抗震规范中,对框架柱的设计提出了很多的要求。首先,要想提高框架结构的抗震性能,必须确保结构有足够的延性,构件延性好的框架结构能吸收较多的地震能量,抗震性能就好。所谓延性好,是指受弯构件在受拉钢筋屈服之前不产生混凝土受剪或受压的脆性破坏,受压构件不产生受剪的脆性破坏。因此,在进行框架结构设计时应遵循“强柱弱梁”的设计原则,使塑性铰出现在梁端,以增强构件的延性。

1 钢筋混凝土柱延性的影响因素

1)柱的截面形状。框架柱的截面形状,将直接影响框架柱截面界限破坏时钢筋和混凝土内应力应变的分布,还将严重影响混凝土受压边缘的极限压应变,为了保证框架柱有足够的延性,框架柱的截面尺寸必须在两个主轴方向的刚度相差不宜太大,矩形柱截面长宽比不宜超过1∶1.5,柱的净高与截面高度h之比不宜小于4。

2)混凝土强度等级。提高混凝土强度可以在不加大截面的情况下提高轴压比,但是如果采用高强度混凝土,由于目前有些建筑施工单位的施工水平受限,实际上很难达到设计要求。另一方面,随着混凝土强度等级的提高,混凝土的极限压应变变小,变形能力变差,对柱子的延性将产生极为不利的影响。

3)轴压比。轴压比指框架柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比值。通过限制框架柱轴压比,保证框架柱有足够的变形能力,使钢筋混凝土框架柱在地震作用下不致发生脆性破坏,继而保证框架柱“坏而不倒”。

4)柱的剪跨比。从以往的有关资料中得知,剪跨比(λ=Hn/2h0)能大体反映出截面上弯曲正应力和剪应力的比例关系,是决定框架柱延性破坏还是脆性破坏的主导因素。钢筋混凝土框架柱剪跨比越大,延性越好。

5)纵向钢筋的配筋率。从实际工程设计中可以得知,增大纵向钢筋配筋率对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,当纵向配筋量达一定值时,对框架柱变形能力的提高就很不明显了,而且如果纵向钢筋量过大,容易使柱子产生剪切破坏或粘结破坏,使延性变差。因此,抗震规范中规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,特别是能有效提高混凝土受压区边缘的最大应变,因此,当箍筋含量特征值(λk=(ρsvfyv)/fc)越高,柱子的延性提高越大。箍筋的形式一般有普通钢箍、螺旋钢箍和复合式钢箍,从受力效果和施工方便程度来考虑,以复合箍为好。

2 改善钢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种方法是直接采用高强高性能混凝土,近年来我国在研制和应用高强高性能混凝土方面取得了飞速发展,积累了丰富的经验。

改善框架柱材料性能的另一种方法是采用钢纤维混凝土,即在普通混凝土中掺入钢纤维,使得混凝土的材料特性向钢材靠拢,可以有效地改善混凝土柱的延性。

2.2 使用复合螺旋箍筋

高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求的,柱端的抗弯承载力也是应该满足“强柱弱梁”要求的。对于短柱,只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求,是能够做到使其不发生剪切型破坏的。因此,使用复合螺旋箍筋来提高柱子的抗剪承载力(见图1),改善对混凝土的约束作用,能够达到改善短柱抗震性能的目的。

2.3 提高框架混凝土柱的抗压承载力

为了提高框架柱的受压承载力,以减小框架柱的截面尺寸而提高框架柱的剪跨比,可以采用劲性混凝土(即在框架柱中配置型钢)或在柱子中配置无间隙弹簧体系(简称NCS体系)的方法(如图2,图3所示),配置在框架柱中的型钢和NCS体系既能提高框架柱的受压承载力,又能提高框架柱的受剪承载力,从而有效提高框架柱的抗震性能。但其应用的局限性是施工困难,尤其是节点处混凝土浇筑更为困难;且对于超短柱,混凝土与型钢之间容易发生粘结破坏。

2.4 分担框架柱的水平剪力

短柱的破坏是由于框架柱承担的剪力过大,因此可以在框架柱中沿柱的净高交叉配置“X”形钢筋(如图 4所示),直接承担框架柱所承担的一部分剪力,降低框架柱的剪压比,实现强剪弱弯,从而改善框架柱的抗震性能。

2.5 采用分体柱

人为削弱抗弯强度的方法,可以在柱中沿竖向设缝将短柱分为2个或4个柱肢组成的分体柱,分体柱的各柱肢分开配筋。在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接键,以增强它的初期刚度和后期耗能能力。一般,连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素混凝土连接键等形式。

对分体柱工作性态的理论分析和试验研究表明：采用分体柱的方法虽然使柱子的抗剪承载力基本不变,抗弯承载力稍有降低,但是使柱子的变形能力和延性均得到显著提高,其破坏形态由剪切型转化为弯曲型,从而实现了短柱变“长柱”的设想,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。分体柱方法已在实际工程中得到应用。

2.6 采用钢骨混凝土柱

钢骨混凝土柱由钢骨和外包混凝土组成。钢骨通常采用由钢板焊接拼制或直接轧制而成的工字形、口字形、十字形截面。

与钢结构相比,钢骨混凝土柱的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲,提高柱的整体刚度,显著改善钢构件出平面扭转屈曲性能,使钢材的强度得以充分发挥。

由于钢骨混凝土柱充分发挥了钢与混凝土两种材料的特点,具有截面尺寸小,自重轻,延性好以及优越的技术经济指标等特点,如果在高层或超高层钢筋混凝土结构下部的若干层采用钢骨混凝土柱,可以大大减小柱的截面尺寸,显著改善结构的抗震性能。

2.7 采用钢管混凝土柱

钢管混凝土是由混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料,是套箍混凝土的一种特殊形式。由于钢管内的混凝土受到钢管的侧向约束,使得混凝土处于三向受压状态,从而使混凝土的抗压强度和极限压应变得到很大的提高,混凝土特别是高强混凝土的延性得到显著改善。同时,钢管既是纵筋,又是横向箍筋,其管径与管壁厚度的比值至少都在90以下,这相当于配筋率至少都在4.6%以上,远远超过抗震规范对钢筋混凝土柱所要求的最小配筋率限值。由于钢管混凝土的抗压强度和变形能力特佳,即使在高轴压比条件下,仍可形成在受压区发展塑性变形的“压铰”,不存在受压区先破坏的问题,也不存在像钢柱那样的受压翼缘屈曲失稳的问题。

2.8 减轻建筑物的恒载

采用轻质高强结构材料及轻质填充墙材料,是减轻结构自重,降低钢筋混凝土框架柱轴压比的有效方法。

3 结语

钢筋混凝土柱的延性与多种因素有关,提高材料性能、采用复合式螺旋箍筋、劲性(型钢)混凝土、NCS体系、“X”形钢筋、钢骨混凝土、钢管混凝土和分体柱是改善钢筋混凝土柱延性,提高柱的抗震性能的几种有效方法。特别是采用延性很好的钢管混凝土和劲性(型钢)混凝土更为优越,其柱子截面可以减小至一半。另外,钢筋混凝土分体柱技术,直接变短柱为“长柱”,概念清晰、设计简单,从根本上改变了短柱的抗震性能,提高了钢筋混凝土高层建筑结构的抗震安全性。

[1]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].

[2]李忠献.钢筋混凝土分体柱理论与技术[A].第十四届全国结构工程学术会议特邀报告[R].2001.

[3]张恒宁,刘红叶,赵文军,等.浅谈抗震设计中影响框架柱延性的因素[J].工程抗震,2001(3)：38-40.

[4]彭水清.浅议改善高层建筑短柱抗震性能的措施[J].广东科技,2006(160)：11-13.

[5]张英华,黄承逵,赵国藩.采用X形配筋改善短柱抗震性能的研究[J].大连理工大学学报,1998,38(3)：25-26.