提高混凝土短柱抗震性能的研究.pdf

李兰文等： 提高混凝土短柱抗震性能的研究 提高混凝土短柱抗震性能的研究 李兰文 ， 王兆瑞 ， 韩岩 ( 1 山东建筑大学 土木工程学院 济南2 5 0 1 0 1 ； 2 山东建大建筑规划设计研究院 济南2 5 0 0 1 4 ) 【 摘要l 大跨度、 大空间的建筑越来越多， 由于轴压比和梁高原因使得短柱频繁出现。短柱的抗震性能差 且现行规范没有明确指出提高短柱抗震性能的措施， 所以本文根据国内外试验研究 、 数值分析和对具体工程的试 验验证 ， 针对提高短柱抗震性能的若干措施进行了整理分析。具体介绍了每种方案的处理方法原理和其抗震性 能 ， 可为工程设计人员提供参考。 【 关键词】 混凝土； 短柱； 抗震 【 中图分类号】 T U 3 7 5 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 7 7 02 0 引言 随着对建筑物使用功能要求 的不断提高， 大空 间、 大跨度的钢筋混凝土结构出现的越来越多， 尤其 是图书馆、 储藏室、 设备运转层、 地下车库等， 由于本 身活荷载较大和跨度大造成梁的横截面高度增加和 混凝土柱的轴压比增大， 为满足抗震规范混凝土柱 轴压比的要求不可避免的需要增大柱的截面面积， 在 柱截面面积或梁高增加 的条件下容易形成剪跨 比 1 5的超 短柱 。 混凝土短柱在地震中的破坏大多属于脆性破坏， 未按照“ 强剪弱弯” 的抗震设计要求出现破坏。在历 次地震灾害调查中发现 ， 短柱通长先出现钢筋与混凝 土的粘结滑移破坏或剪切破坏 ， 进而引起整个结构的 整体坍塌。面对钢筋混凝土短柱出现的频率不断加 大和自身抗震性能差的特点， 如何提高钢筋混凝土短 柱的抗震性能成了工程师们亟待解决 的问题。下面 就对目前钢筋混凝土短柱的抗震性能研究 和提高措 施进行简要分析。 1 提 高钢筋混凝土抗震性 能的若干措施 通过对短柱的破坏机理的研究， 受剪和受压承载 力的大小是决定抗震性能的主要因素。 1 1 提高受剪承载力 ( 1 ) 采用 复式螺旋 箍筋 ( 图 1 ) 。工程 设计人 员 根据抗震规范 要求能很直接的采用螺旋箍筋和复 合箍筋以加强对内部混凝土的侧向约束以提高抗压 强度。但是后期试验发现， 在高轴压比和水平荷载作 用下普通复合箍筋有松扣的危险， 这可使混凝土受压 承载力骤然下降引起混凝土的突然压碎。采用复合 矩形螺旋箍筋和高强复式螺旋箍筋能很好 的解决这 一 问题 ， 由于箍筋由一根钢筋连续弯折而成 ， 防止了 松扣的危险， 提高了受压承载力和受剪承载力。 ( 2 ) x形配筋高强混凝土( 图 2 ) 。仅采用高强 混凝土和普通箍筋可以提高短柱的受压承载力， 但高 图1 复式螺旋箍筋 强混凝土的强度高且 比较脆， 变形性能差导致短柱的 延性差， 所以仅改变混凝土的强度等级并不能提高短 柱的抗震性能。采用 x形纵筋和高强混凝凝土可以 解决这一问题 ， 试验 表明， x筋反弯点位置对短柱的 抗震性能有较大影响， 离梁柱交界面一定距离时短柱 的抗震性能比较好且由于 x形配筋和箍筋对混凝土 有双重约束作用 ， 混凝土的强度和极限变形有所增加 在往复荷载作用下与普通高强混凝土短柱相比， 滞回 曲线丰满 ， 骨架曲线下降段平缓、 位移延性系数大、 耗 散能量能力强等有点。 图2 X形配筋高强混凝土短柱 ( 3 ) 钢骨混凝土柱和外包钢管混凝土柱( 图 3 ) 。通过对内部配置型钢短柱( S R C ) 、 外包钢管方形 短柱( S T R C ) 和普通短柱( R C ) 的滞回性能试验研究表 明， R c和 S R C的变形性能不能满足现行规范 的要 求 ， 试验研究 发现对于承载能力， 钢骨承担部分轴 7 8 低温建筑技术 2 0 1 3 年第 2 期( 总第 1 7 6期) 力且钢的屈服强度是混凝土轴心抗压强度的数倍， 计 算轴压比可以考虑钢骨的影响， 相同的轴力作用下可 以有效减小柱子截面， 有效减小轴压比 S R C的受弯承 载能力高于 S T R C， 外包钢管短柱不能明显提高构件的 受剪承载力， 而对于延性和变形能力， S T R C要高于 R C 和 S R C ， 但明显的缺点就是节点核心区构造较复杂且 对于施工技术要求比较严格。 型 钢 图3 钢骨混凝土短柱和外包钢管混凝土短柱 1 2 提高构件的延性 ( 1 ) 采用分体柱( 图4 ) 。短柱抗震性能差的外 部原因是由于构件尺寸导致剪跨比1 5 ， 如果能改变 柱子尺寸使之成为普通的细长柱， 也能从根本上解决 抗震性能问题。采用分体柱就是将普通短柱横截面 进行分割， 中间用隔板隔开， 将原来的一根短柱分割 成多根细长柱。通过对钢筋混凝土分体柱节点抗震 性能研究 表明， 分体柱本身具有良好的延性和变形 性能， 并且能够实现强剪弱弯， 只要对分体柱连接过 渡区合理设置， 虽然节点核心区出现裂缝但仍具有 良 好的整体性， 除了节点核心区外的柱身均未出现裂 缝。对实际工程的研究 发现， 高层框架 一剪力墙、 框 架 一 筒体结构的底部加强区以上部位适合将短柱设 计成分体柱 ， 可以提高柱的剪跨比， 防止剪切破坏， 同 时轴压比增长甚少， 而在底部加强区不存在短柱部位 设计分体柱可能会使轴压比超限， 不满足规范要求。 因此将适当部位 的单根短柱分成多根分体柱进行设 计可以有效的解决短柱抗震性能问题。 图 4分体柱 图5 加芯柱 外围纵筋 外围箍筋 芯柱箍筋 芯柱纵筋 拉结筋 ( 2 ) 加芯混凝土框架柱短柱( 图5 ) 。加芯混凝 土框架柱就是在柱横截面中心不少于 1 3的面积内配 置附加纵筋和附加箍筋， 形成矩形的“ 柱中柱” ， 以提 高短柱的承载力和变形性能， 延缓结构的整体倒塌。 规范 规定， 芯柱纵筋配筋率不小于 0 8 ， 轴压 比限 值可以增加 0 0 5 。但规范也提出附加纵筋和附加箍 筋具体用量的影响。文献 研究发现芯柱纵筋可以 共同参与承担轴力， 以减小轴压比， 且受力性能要高 于周边纵筋， 原因是周边纵筋受弯矩作用影响比芯柱 纵筋影响大， 且混凝土保护层开裂甚至剥落后于周边 钢筋的粘结性能差， 而芯柱纵筋与混凝土仍有良好的 粘结 ， 芯柱纵筋不会发生压曲。新西兰规范 对柱子 轴心受压承载力考虑了周边钢筋的作用， 但对混凝土 的作用进行了折减。1 9 8 7年 日本 K a w a s a k i 城一幢3 0 层混凝土框架结构的1 5层的2 0根外柱进行了核心 区配筋用以抵抗倾覆力矩产生的巨大压力。研究发 现， 通过配置芯柱， 柱子的承载力变化不大， 但延性大 很多， 抗震性能好。 2结语 在结构中因使用功能要求而形成的短柱在抗震 设计时需要进行专门设计分析， 由于水平地震力根据 刚度分配剪力， 短柱的刚度较其他柱分得较大剪力容 易发生剪切破坏的脆性破坏， 并且现行规范中对改善 短柱抗震性能措施并没有提出具体方法， 因此在对短 柱进行专门设计的同时应在结构方案中尽量避免形 成短柱结构。 参考文献 1 G B 5 0 0 1 1- 2 0 1 0 ， 建筑抗震设计规范 s 2 梁书庭， 姜永生， 朱敏杰 x形配筋高强混凝土短柱抗震性能 试验研究 J 东南大学学报， 1 9 9 7 ， 2 7 ： 3 4 3 8 3 J G J 3 - 2 0 1 0 ， 高层建筑混凝土结构技术规范 S 4 周长旺， 贾金清， 余芳 。 姜睿钢骨高强混凝土短柱抗震性能试 验研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 8 ， ( 增刊) ： 2 3 4 - 2 3 8 5 周绪红， 张小东， 刘界鹏 钢管约束钢筋混凝土柱与型钢混凝 土柱滞回性能试验研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 8 ， ( 增刊 1 ) ： 1 2l一1 2 8 6 郝永昶 ， 李忠献 钢筋混凝土分体 柱框架边节点抗 震性能的 试验研究 J 建筑结构， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 1 0 ) ： 3 7 7 程丽荣， 钱稼茹 核心配筋柱轴心受压试验研究 J 工程力 学 ， 2 0 0 0， ( 增刊) ： 5 7 95 8 4 8 郭庆军 ， 王学韵 ， 雷 自学 ， 周 天华 加芯混凝 土框 架轴压 比限 制试验研究 J 建筑科学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 4 ) ： 4 5 4 9 9 范重， 钱稼茹， 吴学敏 核心配筋柱抗震性能试验研究 J 建 筑结构学报， 2 0 0 1 ， ( 1 ) ： 1 4 1 9 1 0 D Z 3 1 0 1 ， 1 9 9 8 N e w Z e a l a n d S t a n d a r d c o d e o f p r a c t i c e f o r t h e d e - s i g n o f c o n c r e t e $ t r u e t u r e 8 s 1 1 顾滇 高层建筑短柱应用探讨 J 建筑科学， 1 9 8 9 ， ( 1 ) ： 2 4 收稿 日期 2 0 1 21 11 2 作者简介】 李兰文( 1 9 8 3一 ) ， 男， 山东临沂人， 硕士研究生， 研究方向： 混凝土结构与砌体结构基本理论及 应用 。 一