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高层建筑各类柱的选择及应用 - 结构理论 高层建筑剪跨比是柱子设计的重要概念。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。本文柱子截面形式及应用分析探讨。 　　 　　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λ2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λ2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1.5λ2时，其轴压比限值应比表中数值减小0.05，剪跨比λ1.5，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。 　　1. 建筑柱子的分类 　　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。 　　2. 普通钢筋砼柱 　　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。 　　3. 高强度钢筋砼柱 　　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。 　　4. 配有螺旋箍筋的钢筋砼柱 　　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。