11.4 框架柱及框支柱

11.4.1

考虑地震作用的框架柱,与框架梁在正截面计算上采用相同的处理方法,即其正截面偏心受压、偏心受拉承载力计算方法与不考虑地震作用的框架柱相同,但在计算公式右边均应除以承载力抗震调整系数。

 

11.4.2

由于框架柱受轴向压力作用,其延性通常比梁的延性小,如果不采取”r;强柱弱梁”的措施,柱端不仅可能提前出现塑性铰,而且有可能塑性转动过大,甚至形成同层各柱上、下端同时出现塑性铰的”r;柱铰机构”,从而危及结构承受竖向荷载的能力。因此,在框架柱的设计中,有目的地增大柱端弯矩设计值,降低柱屈服的可能性,是保证框架抗震安全性的关键措施。

考虑到原规范给出的柱弯矩增大措施偏弱,本次修订适度提高了各类抗震等级的柱弯矩增大系数。但因 8 度设防烈度框架柱未按梁端实际配筋截面面积确定 Mbua和柱端调整后的弯矩,而是用考虑地震作用梁端弯矩设计值直接乘以增大系数的方法确定调整后的柱端弯矩,因此,当梁端出于构造原因实际配筋数量比计算需要超出较多时,实现”r;强柱弱梁”的柱弯矩增大系数应取用进一步适当增大的数值。

考虑到高层建筑底部柱的弯矩设计值的反弯点可能不在柱的层高范围内,柱端弯矩设计值可直接按考虑地震作用组合的弯矩设计值乘以增大系数确定。

 

11.4.3

为了推迟框架结构底层柱下端截面、框支柱顶层柱上端和底层柱下端截面出现塑性铰,在设计中,对此部位柱的弯矩设计值采用直接乘以增大系数的方法,以增大其正截面承载力。

 

11.4.4

由于按我国设计规范规定的柱弯矩增大措施,只能适度推迟柱端塑性铰的出现,不能避免出现柱端塑性铰,因此,对柱端也应提出”r;强剪弱弯”要求,以保证在柱端塑性铰达到预期的塑性转动之前,柱端塑性铰区不出现剪切破坏。对 9 度设防烈度的各类框架和一级抗震等级的框架结构,考虑了柱端纵向钢筋的实配情况和材料强度标准值,要求柱上、下端取用考虑承载力抗震调整系数的正截面抗震受弯承载力值所对应的弯矩值为柱的正截面受弯承载力标准值,取实配钢筋截面面积和材料强度标准值并按第 7 章的有关公式计算。

对称配筋矩形截面大偏心受压柱柱端考虑承载力抗震调整系数的正截面受弯承载力值 Mcua,可按下列公式计算:

式中 N&emdash;&emdash;重力荷载代表值产生的柱轴向压力设计值;
fck&emdash;&emdash;混凝土轴心受压强度标准值;
f'yk&emdash;&emdash;普通受压钢筋强度标准值;
Aas'&emdash;&emdash;普通受压钢筋实配截面面积。
对其他配筋形式或截面形状的框架柱,其Mcua值可参照上述方法确定。

 

11.4.5~11.4.6

为保证框支柱能承受一定量的地震剪力,规定了框支柱承受的最小地震剪力应满足的条件。同时对一、二级抗震等级的框支柱,规定由地震作用引起的附加轴力应乘以增大系数,以保证框支柱的受压承载力。

 

11.4.7

对框架角柱,考虑到在历次强震中其震害相对较重,加之,角柱还受有扭转、双向剪切等不利影响,在设计中,其弯矩、剪力设计值应取经调整后的弯矩、剪力设计值乘以不小于1.1 的增大系数。

 

11.4.8

本条规定了框架柱的受剪承载力上限值,也就是从受剪的要求提出了截面尺寸的限制条件,它是在非抗震受剪要求基础上考虑反复荷载影响得出的。

 

11.4.9

国内有关反复荷载作用下偏压柱塑性铰区的受剪承载力试验表明,反复加载使构件的受剪承载力比单调加载降低约10%~30%,这主要是由于混凝土受剪承载力降低所致。为此,按框架梁相同的处理原则,给出了混凝土项抗震受剪承载力相当于非抗震情况下混凝土受剪承载力的 60%,而箍筋项受剪承载力与非震情况相比不予降低的考虑地震作用组合的框架柱受剪承载力计算公式。

 

11.4.10

框架柱出现拉力时,斜截面承载力计算中,考虑了拉力的不利作用。

 

11.4.11

从抗震性能考虑,给出了框架柱合理的截面尺寸限制条件。

 

11.4.12

框架柱纵向钢筋最小配筋率是工程设计中较重要的控制指标。此次修订适当提高了框架柱纵向受力钢筋最小配筋率的取值。同时,考虑到高强混凝土对柱抗震性能的不利影响,规范规定对不低于C60的混凝土,最小配筋百分率应提高 0.1 ;对HRB400 级钢筋,最小配筋百分率应降低 0.1 。但为防止每侧的配筋过少,故要求每侧钢筋配筋百分率不小于0.2 。
为了提高柱端塑性铰区的延性、对混凝土提供约束、防止纵向钢筋压屈和保证受剪承载力,对柱上、下端箍筋加密区的箍筋最大间距、箍筋最小直径做出了规定。

 

11.4.13

为防止纵筋配置过多,对框架柱的全部纵向受力钢筋的最大配筋率根据工程经验做出了规定。

柱净高与截面高度的比值为 3~4 的短柱试验表明,此类框架柱易发生粘结型剪切破坏和对角斜拉型剪切破坏。为减少这种脆性破坏,柱中纵向钢筋的配筋率不宜过大。因此,对一级抗震等级,且剪跨比不大于 2 的框架柱,规定其每侧的纵向受拉钢筋配筋率不大于 1.2%。对其他抗震等级虽未作此规定,但也宜适当控制。

 

11.4.14~11.4.15

框架柱端箍筋加密区的长度,是根据试验及震害所获得的柱端塑性铰区的长度适当增大后确定的,在此范围内箍筋需加密。同时,对箍筋肢距也做出了规定,以提高塑性铰区箍筋对混凝土的约束作用。

 

11.4.16

国内外的试验研究表明,受压构件的位移延性随轴压比增加而减小。为了满足不同结构类型的框架柱、框支柱在地震作用组合下位移延性的要求,本章规定了不同结构体系的柱轴压比限值要求。

在结构设计中,轴压比直接影响柱截面尺寸。本次修订以原规范的限值为依据,根据不同结构体系进行适当调整。考虑到框架-剪力墙结构、筒体结构,主要依靠剪力墙和内筒承受水平地震作用,因此,作为第二道防线的框架,反映延性要求的轴压比可适度放宽;而框支剪力墙结构中的框支柱则必须提高延性要求,其轴压比应加严。

近年来,国内外的试验研究表明,通过增加柱的配箍率、采用复合箍筋、螺旋箍筋、连续复合矩形螺旋箍筋以及在截面中设置矩形核心柱,都能增加柱的位移延性。这是因为配置复合箍筋、螺旋箍筋、连续复合矩形螺旋箍筋加强了箍筋对混凝土的约束作用,提高了柱核心混凝土的抗压强度,增大了其极限压应变,从而改善了柱的延性和耗能能力。而柱截面中设置矩形核心柱不仅增加了柱的受压承载力,也可提高柱的变形能力,且有利于在大变形情况下防止倒塌,在某种程度上类似于型钢 混凝土结构中型钢的作用。为此,本次规范修订考虑了这些改善柱延性的有效措施,在原则上不降低柱的延性要求的基础上,对柱轴压比限值适当给予放宽。但其箍筋加密区的最小体积配筋率,应满足放宽后轴压比的箍筋配筋率要求。

对 6 度设防烈度的一般建筑,规范允许不进行截面抗震验算,其轴压比计算中的轴向力,可取无地震作用组合的轴力设计值;对于 6 度设防烈度,建造于Ⅳ类场地上较高的的高层建筑,在进行柱的抗震设计时,轴压比计算则应采用考虑地震作用组合的轴向力设计值。

 

11.4.17

为增加柱端加密区箍筋对混凝土的约束作用,对其最小体积配筋率做出了规定。本次规范修订给出了柱轴压比在 0.3~1.05 范围内的箍筋最小配箍特征值再按下式,即ρv=λvfc/fyv,计算箍筋的最小体积配筋率,以考虑不同强度等级的混凝土和不同等级钢筋的影响。

 

11.4.18

本条规定了框架柱箍筋非加密区的箍筋配置要求。