常见钢筋混凝土短柱的解决思路

常见钢筋混凝土短柱的解决思路

肖体祥

云南省设计院集团工程投资有限公司

摘要：在钢筋混凝土结构中，短柱属于结构主要薄弱环节之一，短柱的存在对结构安全影响较大，结构设计时需全面、准确的判断短柱，并采取合理的措施，确保结构安全。

关键词：短柱 脆性破坏 抗震性能

一、前言

钢筋混凝土框架结构因具有房间布置灵活、能形成较大的空间等优点，其应用比较广。在多层住宅、多层公共建筑、低烈度地区小高层住宅等工程实例中都有框架结构的身影。但框架结构也有其不足之处，相对于剪力墙结构和框架-剪力墙结构，框架结构的主要缺点是水平抗侧刚度较小，在高烈度地区，由于水平地震作用大，梁柱截面尺寸也相对较大。

现行规范对结构体系、结构整体计算、结构构造等方面虽已有具体规定，但很多设计人员在设计时结构概念不清晰，往往过度依赖程序计算而轻视结构构造，如对填充墙等非结构构件的布置、结构可能存在的薄弱位置等关注不够，若对这些非结构构件处理不当，将会对结构安全产生较大的不利影响，甚至产生安全隐患。

钢筋混凝土短柱（下文均简称“短柱”）属于结构典型的薄弱位置之一，对结构安全影响较大，本文将从其破坏特征、产生的原因和解决思路方面进行分析，探讨总结常见短柱的预防措施和解决思路。

二、短柱的破坏特征

短柱往往截面较大，导致其相对刚度也比较大。地震发生时，短柱会比其他构件吸收更多的能量，而其破坏前无明显征兆，抗震性能差，属于脆性破坏。

框架结构中，结构设计需要满足“强柱弱梁”、“强剪弱弯”的要求，即先在梁端出现塑性铰消耗部分地震能量，再出现柱塑性铰，最后才是倒塌破坏。而塑性铰耗能的前提是构件可发生一定转动但不发生剪切破坏。如果柱子先出现剪切破坏，结构将变成机构，导致整个房屋的倒塌。因此如果设计中未全面发现短柱或对短柱的处理方法不当，则结构安全得不到保障。而实际工程中导致短柱出现的因素较多且容易被设计师忽略。

三、短柱的定义和判断

根据规范规定，短柱的判定方法分为简化方法和通用方法。短柱是指按剪跨比≤2的柱。

其中通用方法是按短柱的受力进行来计算剪跨比，即，M、V取未经“强柱弱梁”、“强剪弱弯”调整的计算值，并取柱上下端计算结果的较大值，h0为截面有效高度。此方法计算最为严谨，但是不够直观。简化方法是用柱净高与有效截面的比值进行判定，即λ=Hn/2h0计算，λ=Hn/2h0≤2，即Hn/h0≤4。此方法没有直接反应短柱的概念，且不准确，但由于判定比较直观，很多设计人员常按此方法进行判断。

实际工程中可先采用简化方法初步判断短柱，对可能存在的短柱重点关注，在程序计算时，柱剪跨比计算方法选择通用方法（M/（V*h0）），再根据计算结果中对可能存在的短柱进行复核，全面准确的发现短柱并采取加强措施。

四、形成短柱的常见因素

1、梁柱截面较大形成短柱，如结构方案不合理、使用荷载大、地震设防烈度高、层数多等因素导致梁柱截面大，从而形成短柱。

2、层高较小形成短柱，如局部设有设备层形成短柱。

3、错层形成的短柱，错层结构中与不同标高楼板相连的柱子成为短柱。

4、框架结构楼梯中间休息平台梁将框架柱分为上下两段形成短柱。

5、框架结构硬质填充墙的约束形成短柱。如柱边紧贴门窗边，导致柱净高与柱截面高度之比不大于4。

6、雨棚梁导致框架柱形成短柱，如底层外墙为通长的玻璃幕墙，雨棚下没法设构造柱和圈梁，只能从层间梁外挑，由于设置层间框架梁，使框架柱成为短柱。

7、基础拉梁与基础间处理不当形成的短柱。

8、在钢筋混凝土柱加固时，采用加大柱截面法导致原本的非短柱成为短柱。

五、短柱的常规解决思路

1、结构方面：从结构方案、结构计算等方面出发，避免短柱。如调整结构体系、调整柱网和梁系布置、提高混凝土强度等，减小梁柱截面，从而避免、减少短柱的产生。

2、建筑方面：结构在方案阶段就参与建筑方案讨论，尽量避免局部夹层、错层，同时多关注填充墙布置，尽量避免门窗洞口紧贴框架柱。

3、配筋方面：对不可避免的短柱按规范要求采取相应措施，通过加强配筋、控制轴压比等方式来提高短柱承载力和变形能力，提高短柱的抗震承载力，防止短柱脆性破坏。

（1）纵筋：剪跨比不大于2的一级框架柱，每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%。

（2）箍筋：剪跨比不大于2的柱采用复合螺旋箍或井字复合箍，其体积配箍率不应小于1.2％，9度一级时不应小于1.5％,箍筋全高加密，且满足规范相关直径和间距的要求。

4、轴压比：剪跨比不大于2的柱，轴压比限值应按抗震规范表6.1.6降低0．05；剪跨比小于1.5的柱，轴压比限值应专门研究并采取特殊构造措施。

六、具体问题分析

实际工作中，结构设计人员应在建筑方案阶段预判可能存在短柱的情况，提前沟通，尽量避免。结构计算前通过简化方法初步判断短柱，在软件计算时选择通用方法，对计算结果进行复核，同时对其他因填充墙布置和其他建筑需求等原因形成的短柱进行全面查找，发现可能存在的短柱，采取针对性的措施。

下面对实际工程中几种常见的短柱举例进行分析，研究解决方法。

1、梁柱截面较大形成短柱

梁柱截面较大导致形成短柱的情况较多，如柱网大、使用荷载大、抗震设防烈度高、建筑高度高等。

对高烈度区多高层框架结构，若截面偏大，首先要考虑结构体系的合理性，尽量通过调整结构体系（如改成框架-剪力墙结构），其次通过调整柱网、提高混凝土强度等级等方式，提高剪跨比，避免出现短柱。若不能避免，则通过加强配筋等方式提高短柱的抗剪承载力。

对高层框架核心筒结构，可考虑采用型钢混凝土、钢管混凝土柱等方式提高短柱的抗剪承载力。

2、层高较小形成短柱

   由于特殊功能需要，形成层高较小的夹层，导致整层柱子变成短柱，此类情况应在方案阶段尽量避免，严格控制不能出现超短柱（剪跨比小于1.5的柱）。不能避免短柱时，应尽量调整结构布置，使整层楼柱子刚度接近，避免因少量柱子刚度大导致结构提前破坏。对刚度均匀的短柱通过控制轴压比和配筋来提高短柱的延性。

3、错层形成的短柱

首先，在方案阶段应尽量避免出现错层。对于生产工艺要求设置的错层短柱，可调整结构布置，避免少量柱子刚度过于集中。同时错层结构及短柱的抗震等级、截面尺寸、混凝土强度、配筋等需满足规范规范关于错层结构和短柱的相关要求。

4、框架结构硬质填充墙形成短柱（如门边短柱、窗边短柱）

由于建筑门窗洞口紧临框架柱，容易形成门边短柱、窗边短柱。此时，净高Hn取门窗高度，b为与洞口垂直的柱边长，Hn/b＜4时为短柱，因门窗高度一般都不高，此类柱子往往属于短柱。

（1）柱子箍筋进行加密，对于门边柱、窗边柱，即使未形成短柱，也需要考虑填充墙的实际嵌固作用，对柱子箍筋进行加密。

（2）与建筑沟通，门窗边尽量设置一定长度的墙垛，或将门窗洞口往房间内侧移动，

避免门窗边直接紧邻洞口。

（3）与建筑沟通，将窗台墙外挑，使窗台矮墙不与短柱侧面垂直，避免形成短柱。

（4）填充墙采用：窗台墙、走廊栏板在柱边设竖缝，缝内采用柔性材料填充，窗台墙端头设构造柱，窗台墙计算抗弯和倾覆。

5、楼梯间短柱

楼梯休息平台与框架柱相连形成短柱。一种是平台梁一端与梯梁连接，一端与框架梁连接，一种是平台梁两端均与框架相连形成刚度较大的框架梁。

（1）设计时一般将与梯梁相连的柱按短柱考虑，对箍筋进行加密。

（2）对两端与框架相连的梁，应将该梁建入模型计算，同时这根平台梁在满足受力的情况下尽量弱化，避免造成刚度集中。

（3）有条件时在框架柱内侧单独设梯柱，梯柱与框架柱之间设100mm的竖缝，缝内填柔性材料，避免出现短柱。

6、通长的雨棚梁形成的短柱

部分建筑底层外墙为通长的玻璃幕墙，层间设通长雨棚，且无条件设构造柱和圈梁，雨棚只能从层间框架梁外挑，导致框架柱成为短柱。此类情况，层间梁需按实际建入模型计算，真实反应其受力情况。有条件时可在外墙另外一侧也设置层间梁，使模型刚度分布均匀。对设层间梁的柱子箍筋全高加密，同时满足其他短柱的相关规定。

7、基础拉梁与基础间处理不当形成的短柱

设计时常出现基础拉梁与基础之间未连接的情况，一般在拉梁顶到基础顶之间采用短柱加强，同时加强箍筋和纵筋配置，或在基础顶与拉梁底之间设计混凝土矮墙，加强对短柱的约束。

8、钢筋混凝土柱加固形成的短柱

加固设计时，可能因采用加大柱截面法，导致加大后的柱成为短柱。设计时应选择适当的加固方法，若一定要采用加大截面法，需根据剪跨比复核是否属于短柱。同时，应避免少量柱子截面加大，导致刚度集中。

七、结语

短柱的破坏形态为脆性破坏，抗震性能差，其产生的原因也较多，设计时应给予充分的重视。结构专业应在方案阶段就参与设计，尽量从方案源头上避免短柱出现。在方案不能调整的情况下，结构布置时应避免少量柱子刚度过大，导致其吸收过大的地震作用，形成薄弱环节，进而发展成薄弱区域，同时要对整个建筑中存在的短柱进行全面分析，通过初步预判与计算结果对比，全面准确的识别短柱，并根据具体情况采取合理有效的加强措施，避免因局部柱破坏导致结构破坏，确保结构安全。