钢筋混凝土结构中短柱的成因及防治

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　　摘    要：随着建筑高度的增加，底层柱承担的轴力也在增大。为了满足规范对混凝土柱轴压比的限值要求，柱截面过大易形成短柱甚至超短柱。从多次震害中可以看出，导致混凝土框架结构破坏倒塌的一個重要因素是短柱的破坏。地震作用下框架柱的破坏一般发生在柱上下端，且梁顶柱底较多。柱端常出现水平或斜裂缝，严重时柱端混凝土压碎，钢筋压曲。短柱剪切破坏在地震中很普遍，为了满足抗震要求，建筑需要有一定的延性。本文将探讨钢筋混凝士结构中短柱的成因及防治。
　　关键词：钢筋混凝土;结构;短柱;成因
　　1  短柱的正确判定
　　轴压比和剪跨比是影响柱子延性的最主要因素，也是一对相互矛盾的因素，为满足规范对轴压比限值的要求，框架柱的截面往往比较大，致使柱子剪跨比减小，在结构底部常常形成短柱甚至超短柱。柱净高Hn与截面高度h之比Hn/h≤4为短柱，工程界许多工程技术人员也都据此来判定短柱，这是一个值得注意的问题。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ=M/Vh≤2的柱才是短柱，而柱净高与截面高度之比Hn/h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于2，亦即不一定是短柱。按Hn/h≤4来判定的主要依据是：①λ=M/Vh≤2;②考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点，取M=0.5VHn，则λ=M/Vh =0.5 VHn/ Vh=0.5Hn/h≤2，由此即得Hn/h≤4但是对于高层建筑，梁、柱线刚度比较小，特别是底部几层，由于受柱底嵌固的影响且梁对柱的约束弯矩较小，反弯点的高度会比柱高的一半高得多，甚至不出现反弯点，此时不宜按Hn/h≤4来判定短柱，而应按短柱的力学定义剪跨比≤2来判定才是正确的。1.5≤λ<2时为短柱，柱将产生以剪切为主的破坏，当提高商品混凝土强度或配有足够的箍筋时，也可能出现具有一定延性的剪压破坏。λ<1.5时为极短柱，柱的破坏形态为脆性剪切破坏，抗震性能差，一般设计中应尽量避免，若无法避免则应采取特殊措施以保证其斜截面承载力。
　　2  钢筋混凝土结构中短柱的成因
　　在实际工程中出短柱的原因可分为两大类，一是工程设计中的问题，包括新建钢混凝士房屋的抗震设计和原有钢筋混凝土房屋的加固设计，二是施工中改变原设计等。
　　2.1  抗震设计中出现短柱的情况
　　（1）在新建钢筋混凝土框架结构的设计中，由于柱网布置不合理，使少量的框架柱承受的竖向苘载过大，为了控制柱的轴压比在一定的范围内而采取较大的柱截面，还有的因柱混疑土强度等级偏低导致柱的截面偏大等。另外，楼梯间位置由于梯梁对框架柱的丝束也会形成短柱。
　　（2）在原有钢筋屁凝土框架房屋的抗震加固中，不适当地采用外包钢筋混疑士柱截面，使柱的净高与柱截面高度之比小于4而形成短柱。
　　2.2  施工中短柱的或因
　　（1）施工中对混凝土框架中的非结构构件与主体结构构件的连接处理不当。如外纵墙墙体与框架柱的连接，在设计图中为柔性连接，但在施工中采用了刚性连接;而且外纵墙又多为窗下裙墙，其刚连接使得框架柱在窗台标高处形成了一个刚性支承而形短柱。由于设计形成的短柱，一般都按规范采取了沿柱全高箍筋加密;而施工不当所造成的短柱，则连沿柱全高箍筋加密都没有做到，因此，这种因施工不当而形成的柱更为危险，其隐患更大。
　　（2）多跨厂房内部不恰当地用砖墙分割也是形成短柱的原因。有些多跨厂房在原设计中并没有嵌砌于排架柱的内纵墙，在使用过程中有时出现2个车间共同使用一个多跨厂房等，有的厂房再用砖砌2.5m左右嵌砌于排架柱的墙，致使排架柱在纵向的嵌砌墙高以上范围内形成短柱，在地震作用下，将加重厂房的破坏。
　　3  钢筋混凝土结构中短柱的防治
　　3.1  如何避免短柱的出现及破坏
　　钢筋混凝士框架中的短柱，其破坏状态为脆性，其抗震性能比较差，在新建钢筋混凝土房屋的抗震设计和现有钢筋混凝土房屋的抗震加固中应尽量避免;在施工中应杜绝不符合设计思想而形成的短柱。如果同一楼层中均为短柱（如高层建筑的设备层），各柱之间抗侧刚度不很悬殊，这种情况下按规范进行内力分析和截面设计构造，结构安全是可以保证的，所以应避免在同一楼层中出现少量短柱，对于不可避免的短柱，应采取构造措施提高其延性。
　　3.2  改善钢筋混凝土短柱抗震性能的措施
　　当短柱不可避免出现时，可考虑采用以下措施消除或改善短柱的抗震性能。
　　（1）采用高强性能混凝土。为减小框架柱的截面，提高剪跨比，最直接的方法就是提高混凝土的强度等级，即采用高强性能混凝土来增大框架柱的受压承载力，降低轴压比，减小柱截面。
　　（2）采用框架一剪力墙（核心筒）结构体系。框架一剪力墙（核心筒）结构中，由于剪力墙（核心筒）与框架的协同工作，改变了框架的剪力分布，且框架属于第二道防线，大部分地震作用由剪力墙承受，框架承受的相对较少，因此框架柱发生剪切变形的可能性变小，只要剪力墙设置恰当，就能消除或部分消除短柱。
　　（3）选用井字复合箍、复合螺旋箍或连续复合螺旋箍。加强箍筋对框架柱的约束，可提高混凝土的抗压强度，防止构件在大剪压比情况下发生剪切破坏。根据《高层钢筋混凝土结构技术规程》第6.4.2条备注第4点，当沿柱全高采用井字复合箍、复合螺旋箍或连续复合螺旋箍，同时满足箍筋肢距不大于200mm、箍筋（螺旋）间距不大于100mm（连续复合螺旋箍时螺距不大于80mm）、直径不小于12mm（连续复合螺旋箍时直径不小于10mm），柱轴压比限值可增加0.10。
　　（4）在柱截面中部设置矩形芯柱。试验证明，在压、弯、剪作用下，当框架柱出现弯、剪裂缝时，大多数情况下芯柱可以有效地减小框架柱的压缩，保持框架柱的外形和截面承载力，因此芯柱可以提高短柱的变形能力，延缓倒塌。根据《高层钢筋混凝土结构技术规程》第6.4.1条备注第5点，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截面面积的0.8%时，柱轴压比限值可增加0.05。
　　（5）采用分体柱。由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多，在地震作用下往往是因剪切而失效，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱短枉的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度，采用分体柱就是这一目的。这样，在地震作用下，柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。
　　（6）采用型钢混凝土柱。型钢混凝土柱是在型钢外包普通钢筋混凝土而形成的组合结构。型钢通常采用扎制或由钢板焊接拼制而成的工字形、口字形、十字形截面。由于型钢混凝土柱充分发挥了钢与混凝士两种材料的特点，具有截面尺寸小、自重轻、延性好及经济效率高等特点，如果在高层或超高层钢筋混凝土结构下部的若干层采用型钢混凝土柱，可大大减小柱的截面尺寸，显著改善结构的抗震性能。
　　（7）采用钢管混凝土柱。钢管混凝土是将混凝土填入钢管内而形成的组合结构，是套箍混凝土的一种特殊形式。常见的有圆钢管混凝土和方钢管混凝土，在轴心受压荷载作用下，混凝土三向受压，延缓了受压时的纵向开裂，另一方面，混凝土的存在可以避免或延缓薄壁钢管过早地发生局部屈曲。因此，通过两种材料组合相互弥补了彼此的弱点，充分发挥彼此的长处，从而使钢管混凝土具有很高的承载力，大大高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土承载力之和，并且使混凝土的塑性和韧性性能大为改善。与传统的钢筋混凝土结构相比它具有承载力高、重量轻、塑性韧性好、耐疲劳、耐冲击、施工方便及经济效率高等诸多优点。
　　总之，为保证短柱结构的安全，在设计施工中应严格执行国家建筑抗震设计规范，采取切实可行的构造措施，防止短柱破坏。在施工中遇到用户提出修改设计出现短柱问题时，应及时进行妥善处理有针对性地采取描施，保证结构安全。
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