一些冶金结构短柱问题探讨

　　摘要：本文主要针对冶金建筑喷煤主厂房、框槽等类似建筑出现的短柱问题进行了探讨，基于短柱的判定及出现的可能情况，结合笔者的多年实践经验，为类似工程提供参考。

　　关键词：冶金厂房;短柱判定;短柱处理措施

　　一 短柱的判定：

　　冶金工业建筑高炉框槽、喷煤等框架(含仓)结构，因为荷载很大，导致框架柱子截面尺寸很大，在工艺层高确定的情况下，很容易形成短柱，尤其当工艺布置不合理——有错层的存在，就更加容易形成短柱。关于短柱的判定，如下所述：

　　《建筑抗震设计规范》和《高层混凝土结构技术规程》都有规定：剪跨比λ=M/Vh≤2或Hn/h≤4为短柱，其中Hn为柱净高与h为柱截面高度。

　　工程中，设计人员一般以Hn/h≤4为短柱来判定短柱，这是一个值得关注的问题。因为确定是不是短柱的本质是以剪跨比λ=M/Vh≤2来判别的，而柱净高与截面高度之比Hn/h≤4仅是一种简化判别，在此种条件下其剪跨比λ不一定小于2，亦即不一定是短柱。按Hn/h≤4来判定的是基于：①λ=M/Vh≤2;②考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点，取M=0.5VH，则λ=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2，由此即得Hn/h≤4。但是，对于高层建筑及一些工业建构筑物，梁、柱线刚度比较小，特别是底部几层及层高变化较大时，反弯點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λ=M/Vh≤2来判定才更合理。

　　框架柱的反弯点不在柱中点时，柱子上、下端截面的弯矩值就不同。因此，对于柱上、下端截面的剪跨比大小不同时，即λt=Mt/Vh≠λb=Mb/Vh时，笔者建议采用最不利情况，即框架柱上、下端截面中剪跨比的较大值。理由如下：

　　1、框架柱的受力情况有如一根受有定值轴压力的连续梁，柱高Hn相当于连续梁的剪跨a，已有的试验研究结果表明对于剪跨a不变的连续梁，当截面采用对称配筋时，剪切破坏总是发生在弯矩较大区段;

　　2、对于框架柱，临界斜裂缝也总是发生在弯矩较大区段;

　　3、钢筋砼构件的抗剪承载力是随剪跨比λ增大而降低的。

　　故同等条件下，弯矩大侧的截面抗剪承载力要比弯矩小侧的小，若发生剪切破坏，就只能是在弯矩较大侧。

　　设计中可先按Hn/h≤4法初步判定是否是短柱。在施工图设计阶段，可根据程序提供的剪跨比λ判别选项来判断。现行的软件如PKPM、YJK等都提供了相应的选项。

　　二 短柱形成的大致情况：

　　结构中的短柱根据本文中“一”所述，所谓“净高”包括因嵌砌填充墙等情况形成的柱。在实际工程中，应特别注意：框架柱间砌筑不到顶的隔墙、窗间墙以及楼梯间休息平台使框架柱变成短柱。还应注意计算的方向，柱子的截面高度应选取沿填充墙平面内的柱子截面尺寸。

　　短柱出现的几种常见情况：

　　1、错层形成的短柱：出现于楼层不同标高相连接的柱;

　　2、夹层所形成的短柱。出现于带局部夹层处，含楼梯间休息平台使框架柱变成短柱;

　　3、层高变化较大，在层高较小的楼层所形成的全层短柱：工业建筑尤其容易出现此种情况。

　　4、刚性填充墙所形成短柱。这是柱被刚性装修所约束形成的短柱。虽然柱子本身较高，但在构造上仍应按短柱对待。

　　以上第4种情况中所谓的“刚性填充墙”：一般是指砌体填充墙且刚性连接。在2010版砌体结构设计规范中给出了砌体填充墙与结构构件的刚性及柔性连接方法。其余填充墙是刚性还是柔性，笔者建议主要看填充墙体材料自身的刚度及与对框架柱的约束程度。一般而言，各类建筑幕墙(按幕墙做法)，如玻璃幕墙、石材幕墙、铝板或钢板幕墙、混凝土幕墙等均按柔性填充墙考虑。

　　三 短柱的对应措施

　　在地震作用下，短柱抗侧刚度大，分担的地震剪力增多，易发生脆性破坏，引起建筑物或构筑物的严重破坏甚至倒塌。结构设计时尽可能避免形成短柱，工业结构设计时，易采取如下措施：

　　1、从方案出发，采取如下措施：

　　(1)同工艺协商，使其调整平台，避免形成错层;

　　(2)同工艺协商，调整操作平台标高，减少层高的剧烈变化。

　　(3)同建筑专业协商，确定合理填充墙方案，必要时可调整为柔性墙体。

　　对于工业建筑，在短柱无法避免时，应尽可能避开错层导致的短柱，使之形成为整层短柱，这样至少保证楼层剪力的均匀非配，而不至剪力集中被部分短柱吸收，对高烈度地区尤其应注意。

　　2、从具体结构出发，采取如下措施：

　　(1)合理布置刚性填充墙体，在形成短柱处采用柔性连接;

　　(2)短柱应采用复合箍筋、螺旋箍筋、X形配筋、外包钢板箍等;

　　(3)其他合理并经试验验证的构造措施，如分割短柱等。

　　短柱设计时应主要注意的事项有：

　　1、增强截面的受剪承载力;

　　2、控制轴压比;

　　3、受拉钢筋较多时，容易发生沿受拉纵筋通裂破坏，应控制纵向配筋率，或加强箍筋配置;

　　4、增加箍筋的体积配箍率;柱的箍筋需全高加密;

　　5、应避免出现跨比小于1.5的柱。

　　参考文献

　　[1]混凝土结构设计规范(2015版)(GB50010-2010)[S].北京：中国建筑工业出版社，2015

　　[2]建筑抗震设计规范(2016版)(GB50011-2011)[S].北京：中国建筑工业出版社，2016

　　[3]高层混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)[S].北京：中国建筑工业出版社，2011

　　[4]王文栋. 混凝土结构构造手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2016

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文章名称： 一些冶金结构短柱问题探讨

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