高層建筑各類柱的選擇及應用【摘要】高層建筑剪跨比是柱子設計的重要概念。反映了柱截面上彎曲應力與剪切應力的比例關系。同軸壓比相比較剪跨比對框架柱的破壞特征起關鍵作用。本文柱子截面形式及應用分析探討。【關鍵詞】高層建筑柱；剪跨比；普通砼柱；型鋼砼柱；鋼管砼柱現行的“高層建筑砼結構技術規程”jgj3――2002中規定了鋼筋砼框架柱的軸壓比限值，目的是使柱子在包括地震力作用時，在多種荷載效應組合作用組合下處于大偏心受壓狀態，只產生延性較好的受拉破壞而不是脆性的受壓破壞，具有較大的屈服以后變形能力和耗能，具有良好的延性及抗震性能，這即是軸壓比的基本概念。而剪跨比也是高層建筑柱子設計的重要概念。其反映了柱截面上彎曲應力與剪切應力的比例關系。同軸壓比相比較剪跨比對框架柱的破壞特征起關鍵作用。資料介紹表明:在正常配筋情況下，當剪跨比入＞2時框架柱在橫向水平剪力作用下，一般都會發生延性彎曲破壞；當入＜2時框架柱就變成了短柱，在橫向水平剪力作用下一般都會發生脆性的剪切破壞。規程中表6.4.2條注3規定，剪跨比1.5〈入＜2時，其軸壓比限值應比表中數值減小0.05,剪跨比入〈1.5,其軸壓比限值應專門考慮并采取更加有效的措施處理。高層建筑的房屋高度大，層數多，柱子底部數層的軸向力大，因此首先要滿足柱子軸壓比要求。由于行業規程對軸壓比限制很嚴，要達到規程要—論文發表專家—ED國尋朮發罷網www.qikanwang,net求柱子截面往往比較大。柱子截面比較大會帶來許多問題。如增加了結構的自重，加重地震應力；容易形成短柱甚至更短柱子，易產生脆性破壞；占據寶貴的建筑面積，影響到使用功能。當高層建筑設有設備層時，因設備層層高偏小，而設備層柱子的截面尺寸變化小或者不變化，往往會形成短柱的現象，使柱發生脆性剪切破壞；同時造成設備層上下層側向剛度差異的加大，甚至使結構形成薄弱層或軟弱層。因此，根據建筑物使用特點的不同要求，選擇適宜的柱子形式和合理的截面尺寸，經濟適用的做好柱子的構造設計，避免和減少短柱和形成結構薄弱層，使建筑物具有較好的延性和抗震性，這也是多高層建筑結構設計中極其重要的一個具體問題。建筑柱子的分類現在多高層建筑中可以采用的柱子截面形式大約有下列幾種：（1）普通鋼筋砼柱；（2）高強度鋼筋砼柱；（3）配有螺旋箍筋的鋼筋砼柱；（4）增加芯柱的鋼筋砼柱；（5）鋼筋砼分體柱；（6）型鋼砼柱；（7）鋼管砼柱子等。各種類型優缺點如下淺述。普通鋼筋砼柱鋼筋砼柱的設計及使用，一般是根據現行規范及相關標準，來確定柱子的軸壓比例。由此初選柱子的截面尺寸，再進行結構的分析，構件內力組合和配筋計算以及構造設計等。對于多層及高層建筑的

—論文發表專家—ED國尋朮發罷網www.qikanwang,net底層柱，應首選普通鋼筋砼柱合適。因柱子的軸向力不是很大，許多情況下柱子要滿足規范要求的軸壓比限值，截面尺寸又不是很大。高層一般為30層左右的高度，砼用c50級即可，能滿足使用要求。普通鋼筋砼柱是現在高層建筑中，使用柱子類型最多的一種，由于應用廣泛大家熟悉，不再淺介。高規中對普通鋼筋砼柱軸壓比限值的規定，見表1示。高強度鋼筋砼柱從柱軸壓比計算公式可知，當n（軸壓力）.“（軸壓比）一定時，要減小a（截面尺寸）.可加大fc（砼強度等級），即采用高強鋼筋砼柱，設計方法同普通鋼筋砼柱相同。分析對比可知，與c40砼相比采用c60-c80砼，可減少柱截面1/4~1/3的優良效果，目前許多高層建筑底部柱多采用c60砼。但是高強度砼的延性較差，容易使柱子出現脆性破壞。一般規律是砼強度越高其延性越差，要配制多一些箍筋約束砼脆裂，才可使柱具有較好延性和抗震性。規程中表6.4.2注2規定：當砼強度等級為c65-c70時，軸壓比限制要比表中值減小0.05；當砼強度等級為c75-c80時，軸壓比限制要比表中值減小0.10。這就不同情況下降低了高強砼減小柱截面了尺寸的效應。同時在長期荷載下柱子的徐變也較大，可以不采納和使用。現在高層建筑用c65以上高強砼澆筑柱子是不多的。配有螺旋箍筋的鋼筋砼柱砼柱處于三向受壓狀態，不僅要提高其強度更要提高其延性。配

—論文發表專家—ED國尋朮發罷網www.qikanwang,net有螺旋箍筋的鋼筋砼柱正是利用了砼的這個特性。現行規范雖然末給出柱的承載力計算和設計方法，但對于其提高高規表6.4.2注4中的規定是:當沿柱全高采用井字復合箍，且箍筋肢距不大于200mm.間距不大于100mm.直徑不小于12mm.軸壓比限值可增加0.10；當沿柱全高采用復合螺旋箍筋，且箍筋肢距不大于200mm.螺距不大于80mm.直徑不小于10mm.軸壓比限值可增加0.10。從這個規定可以看出，按增大后的軸壓比也可以減小柱子截面。但必須注意的是:柱子長細比lo/h應該小于8；柱端箍筋加密區最小配筋率應按增大后的軸壓比確定，即增大配筋率使其更有效約束砼。配有螺旋箍筋的鋼筋砼柱的不足之處是，用螺旋箍筋制作困難較多，施工速度慢。而方柱的約束效果不如圓柱好。這也會影響到配有螺旋箍筋的鋼筋砼柱應用普及和廣泛問題。增加芯柱的鋼筋砼柱如果用縱向鋼筋代替型鋼配置在柱子的核心區。經試驗表明與普通鋼筋砼柱比較，核心部位配制鋼筋柱的承載力變化不大，但具有良好的耗能能力，延性卻大大得到提高。核心部位配置鋼筋可以減少柱截面尺寸，改善高壓比下框架柱的性能。高規表6.4.2注5規定:當柱截面中部設置由附加縱向鋼筋形成的芯柱，且附加縱向鋼筋的截面面積，不小于柱子截面面積的0.8%時，軸壓比限值可以比表中數值增大0.05，當本要求與注4的規定共同—論文發—論文發表專家—E國尋朮凌垂網采用時，軸壓比限值可以比表中數值增大0.15，但入 v仍按軸壓比增加0.10的要求處理。設置了芯柱可以減小柱截面面積，對施工也提供了便利，尤其用在高層建筑的下層，柱子處理的效果更好，但對Av<2的短柱也并不適應。鋼筋砼分體柱用鋼筋砼分體柱的特點是采用隔板將整個截面沿柱短方向，分為等截面的單元柱并分別配筋。單元柱之間應有隔板作為填充材料。設有分體柱結構的分析計算是將分體柱剛度，取為外包尺寸相同的整截面柱剛度的0.7倍，按整截面柱的設計方法計算，其層間位移限值應符合整截面柱結構的限值進行。對于分體柱的截面設計是:正截面承載力各單元柱平均分擔mc.nc，按砼規范偏壓構件計算。斜截面承載力各單元柱平均分擔vc,按砼規范剪壓柱計算。分體柱軸壓比計算：軸壓比也是各單元柱平均分擔nc，其值應滿足抗震規范對于整截面柱軸壓比限值的要求。而柱的構造要求是:柱上下端應留有整截面過渡區，過渡區域內箍筋應采用井字復合箍，且箍筋外肢直徑應比內肢直徑大2mm。由于分體柱的截面尺寸僅是整截面柱截面尺寸的1/2，而柱的凈高度不變，就可以有效的解決短柱的存在問題，同時在一定程度上緩解上下層側向剛度差異較大問題。因此分體柱適合用于高層建筑

—論文發表專家—E國尋朮炭衣網www的框架，框架——剪力墻以及框支剪力墻結構，剪跨比入〈1.5的短柱。如果在層較低的設備層采取分體柱，會避免使用短柱，改善設備層上下層因側向剛度差異過大，避免形成結構薄弱層和軟弱層現象。而分體柱不能減小相應整截面柱截面尺寸，同時分體柱對隔板用材料，施工過程的控制也較高，現階段工程的實際應用也少。型鋼砼柱在鋼筋砼柱內配置型鋼的含量達5%以上，使型鋼骨架和鋼筋砼結合為一體，共同受力和工作，這就是型鋼砼柱的做法。型鋼砼柱既具有鋼筋砼結構的特點，又具備鋼結構的特性。其剛度大承載力高，具備優良的延性和抗震性能，防火性也好。型鋼砼柱的軸壓比應按下式計算:|J二n/(fcac+faaa)高規中還規定了型鋼砼柱的軸壓比限值，見表2。1.框支柱的軸壓比限值應比表中數值減少0.10。2.剪跨比不大于2的柱，其軸壓比限值應比表中數值減少0.05。3.當砼強度等級大于c60時，表中數值減少0.05。由于柱內配置的型鋼骨架參于受壓，因而型鋼砼柱若是減小柱子截面尺寸效果很明顯。在相同外力作用時與鋼筋砼柱相比，可以使柱截面尺寸減小40%左右。同時不但能提高柱軸心受力，小偏心受力的承載力，還可以提高大偏心受力柱的承載力，對Av<2的短柱抗剪效果也很好。當建筑房屋高度大，柱間距也大，柱中軸力很大時，抗震等級如是特一級的鋼筋砼柱，優先選擇用型鋼砼柱。現在型鋼砼柱多數用在高層建筑的下層部位，轉換層以下的框支柱，也有的工程全部采用型鋼砼梁柱，如北京的財富中心，上海的金茂大廈等。而型鋼砼柱節點核心區構造比較復雜，框架梁縱向受力鋼筋必須穿越型鋼骨架腹板，對型鋼骨架的制作，安裝質量要求是很嚴的，施工過程控制也復雜嚴格。鋼管砼柱在鋼管砼內澆筑砼使鋼管和管中砼形成整體，共同工作和受力，這就是鋼管砼柱的不同構造形式。鋼管砼柱可以使鋼管內的砼處于有效的側向約束力，形成三向應力狀態，因而能大幅度提高柱子的抗壓承載力，同時抗剪強度和抗扭轉承載力也能提高一倍。鋼管砼受壓破壞屬于延性破壞，具有優良的延性和抗震性能，其剛度大，截面小，防火性勝過鋼結構。鋼管砼減小柱子截面尺寸極其明顯，如鋼管內澆筑高強砼，可以使柱截面減小到原截面的1/2以上。鋼管砼柱的鋼管外徑不能小于100mm，壁厚度不少于4mm,徑厚比要取70左右，套箍指標0應控制在0.3?3.0之間。鋼管砼柱多用在高度大，柱中軸力很大的高層建筑物的底部柱效果最好。當抗震等級為特一級鋼筋砼柱時，采用鋼管砼柱最合適。—論文發表專家—ED國尋朮發罷網www.qikanwang,net近年來整個結構采用鋼管砼柱的高層建筑比較多，如廣州的新中國大廈，深圳的賽格廣場等建筑。但鋼管砼柱的缺點也不容忽視，梁柱節點構造復雜，少數鋼管砼柱與鋼筋砼梁的節點構造還不能滿足8度設防的抗震性能要求，需要進一步改進完善，對鋼管的制作和安裝技術要求和質量控制也是極嚴格的。從上述對各種類型的柱子簡單分析介紹可以看出:高層建筑底部幾層林子的主要問題，是如何想辦法減小柱子的截面尺寸問題，在滿足規范軸壓比限值的前提下，有效減小其截面積尺寸，同時就減輕了結構的自重。要避免形成短柱，其它不再是關注的問題。采用高強度砼，配有螺旋箍筋的鋼筋砼柱，型鋼砼柱及鋼管砼柱，增加鋼筋砼芯柱的方法均可不同程度的減小柱子截面尺寸。為更有效地滿足高層建筑不同情況下柱子的強度和剛度要求，在具體應用時可將不同類型柱子進行組合，使其充分發揮各自的長處而克服不足。如把型鋼砼柱中的型鋼改為鋼管，成為以鋼管為芯柱的型鋼砼柱，這種柱子具有一些如下優點:（1） 核心鋼管對其管內高強砼的可靠約束，使這類柱子比相同截面尺寸的型鋼砼柱或增設砼芯柱，具有更高的整截面承載力和更好的延性。（2） 核心鋼管的存在了增強了柱子抗剪承載力，提高了框架節點核心區的抗剪強度。（3） 避免鋼管砼柱框架的