钢筋混凝土框架柱轴压比限值问题研究

14卷4期世界地震工程l期年12月WORLDD闷FORMAn0NONEARTHQUAK卫ENG仆尼以I卜(,vol.!4.从,.4O“二.1男8钢筋混凝土框架柱轴压比限值问题研究肖建庄李杰(同济大学,上海2的的2)摘要针对目前高层钢筋混凝土结构抗展设计中遇到的突出问题之一—框架柱轴压比超限现象,结合以往试验现象分析和对规范背景资料的研究.对框架往轴压比限值的研究进行了综述与分析,并对进一步的研究工作提出了一些新的建议.主题词钢筋混凝土框架柱延性轴压比轴压比限值1前言在钢筋混凝土框架抗震设计中,为了保证框架柱具有足够的延性,我国抗震设计规范GB川一89作出了轴压比限值的规定.这一规定,是我国抗震规范区别于欧美代表性规范的特点之一然而,在近年来的设计实践中,要求提高轴压比限值的呼声越来越高.我们通过对一些大的建筑设计院的调查发现,几乎每个钢筋混凝土框架、框一剪或框一筒结构形式的高层建筑,在用1卫SA,TAT软件进行结构抗展设计时,都会遇到现行规范中的框架柱轴压比限值问题.经常出现的情况是:框架柱的断面由轴压比限值来确定,而配筋由规范规定的构造配筋率决定.这显然存在着不合理的地方.柱子的断面由轴压比限值来确定,往往使柱子的断面很大.在上海地区.柱断面为ZmxZm已不算稀奇。一方面,这样大的柱子,很容易使柱子的剪跨比又(H/2h口不大于2而形成抗震性能更加不好的短柱.另一方面,由于柱子断面很大,占去了许多建筑空间;同时由于自重增大,也引起地震反应增大,造成了恶性循环。在扩大断面和提高棍凝土强度等级后,仍不能满足规范GBJn一89限值要求时,有些结构工程师允许框架柱的轴压比超过规范规定的限值.这在文献【18]中已有所反映.近几年来,国内理论界如同济大学朱伯龙教授、西安建筑科技大学姜维山教授和东南大学程文攘教授等,都先后提出了这一问题118一期,并进行了卓有成效的研究.然而,现有成果距离问题的圆满解决尚有一定的差距。本文试图通过对这一方向研究状况的综述与分析,找到问题的症结所在,从而提出一些新的研究建议.2框架柱抗震试验总结国内对钢筋混凝上框架柱抗震性能的研究,已进行了很多年,取得了一系列重要的世界地震工程14卷负贵单位*试件数量26l8加荷方式表1柱断面(刀比。1)120x印80x80国内近年来钢筋混凝土柱试验概况一览表人二Hj入)(入}关bh)研究重点所引文献[l]一[2]同济大学西安建筑科技大学西安建筑科技大学西安建筑科技大学0~O~0.3255一410筋3~如2P(滩习b凡)变化088%(A翻1/bs)肠乡2印02%l印xl印誉2’02一1.020〕一3以l%2(X)xZ(X)2即x28()15116202一07(总)1.95%~2.朋%0石l%1.05%0.24吧护。.59%恢复力特性高轴压短柱抗簇性能艳筋形式、含量不同形式箍筋[a1[4l梁一建研一建研一建研清华大学142以)xZ(X)43拟)一以幻I刀清华大学32梁l印xZ佣5万0~住3681即一401。.475今卜复合艳对柱0.367汤体延性的影响0.25%一压弯柱性能LO%的形响因素[8]北京城建11工程研究中25()刀Ox22D125~284。.月590.39341.7一45州于a。,48%一3.33%l%圆形和方形截[9]面柱的抗展性建研所能西安建筑科技大学长沙铁道学院天津大学140xl旬0.128~19、5一四51.023MPa1.6%众340/七~0.81%。和八,对柱抗【101剪强度的影响旧建研一梁梁l见xl习全{0ee0.35186~188。,03~0.05加皿产,)0.94%~1.57%约束棍凝土的影响艳筋的作用[11」力〕)xZ(X)1750.3~a7182~3071.26%。和凡对短柱【12j抗展性能的影响建研0.77%O一l刃%反复荷载下框【13]架往抗夸强度及延性,‘月峥2(幻xZ田02~1.118~35.1Mh建研西南交通大学西南交通大学西南交通大学湖南大学洲刃xZ汉)1.50.1~1.06173~3271.15%0.22%[l月l见xZ以】54O一0.192251~298翻南大学37梁加5一洲2l印x么幻l匆x2405.140.田一0乃3850.8%~0,375今砂1.乃七。.75%2.195%一肠@l田5.268%总高轴压下框架短柱抗剪性能压弯构件恢复力特性[l习建研一梁工字型截面柱的【1日抗展性能湖南大学加梁l父x刀)5.140~0.41印210~417沈阳建工19学院洲洲)K么洲)02~0.817-4一239州田a0.39%一1.73%0名5%0.22%~1.47%众28%。.53%,‘,J重庆建工36学院l田xl田l匆xZ即l刃x3犯2创)x么X)l~5.30.1~0.825.翻石.1MPa0.19%~1.05%0.17~住672刃251%~1卯%(总〕I%一l,57%矩形约束艳筋围的作用煤研石棍凝土框阎架柱高轴压下的抗展性能柱的抗剪强度l司建研一梁大学大连理工48大学。月%一短柱的粘结开闷1.0%裂破坏2加x入拭)27503~0.9呱4~肠.2504%M入单位未注明者均为l心护a众7%一高强棍凝上柱【l刀12%的延性自设.一试脸者详所引文献l—空白处为情况不详.4期肖建庄等:钢筋混凝土框架柱轴压比限值问题研究19科研成果.以同济大学朱伯龙教授、西安建筑科技大学姜维山教授、东南大学程文滚教授、清华大学沈聚敏教授、西南交通大学陈家教授和湖南大学邹银生教授等为代表,对钢筋棍凝土框架柱的恢复力特性、恢复力计算模型、抗弯强度、抗剪强度、变形能力、延性系数等,都进行了系统的研究.表1是笔者对国内近十几年来有关钢筋混凝土框架柱部分试验情况的简单总结.在以往的框架柱试验研究中,大多数仅把轴压比作为钢筋混凝土框架柱抗震性能的的一个影响因素,得出的结论也几乎是一致的:轴力越大、框架柱受周期性荷载作用下的强度越高、初始刚度越大、延性便越小,即:轴压比对钢筋混凝土框架柱的抗震性能影响很大,但很少有一个定量、定限的讨论.实际上,现行混凝土结构设计规范GBJ10一89和建筑抗震设计规范GBJll一89中对框架柱轴压比限值的规定,主要是基于希望框架柱出现以受拉钢筋屈服为先导的大偏心受压破坏的理论,考虑了包括表1所列在内的一些框架柱在低周反复荷载作用下的试验研究结果和工程实践经验,并适当参考了国外(主要是日本)的一些规定而定出的.3轴压比限值及影响因素3.1轴压比限值轴压比限值有标准值n*和设计值。之分.框架柱轴压比限值的标准值,可以根据框架柱大小偏心界限破坏状态的条件进行推导冈。主要结论为此岛玩万=”‘(1).___~,____,______己_‘___二___二_.…__,二_.___田边尖十截圆1反走叫得兹=U.吕几1+~矛」,式中兹为界限饭环盯任助囱的相对觉压区毛高度,心和比。分别为钢筋屈服应变和棍凝土极限压应变的试验标准值.这样,对应于I,n,111级钢筋的轴压比限值的标准值近似为0.614,0.544(0.555)和0.528.轴压比(设计值)的定义是指柱所受设计轴力与混凝土部分抗压能力的比值,即n二N~一、,、,~二‘、。、.‘L.,、.~一二、_、,、.一一,.、,~__~,_,_一书十,式中N为柱的设计轴力,fc为混凝土抗压设计强度,A为柱横截面积.在现行必’一’一’‘-一.-一”’一’沙“”一一一“一一“一一’‘一“一~~一一”一一’‘‘,矛、、少、.声”,”内J4‘了、、尸‘、、了.、规范体系中,近似地可以取N=r。N。;+roN。*七125(N‘*+N‘*)=1.25N*美=美*/1.36故N‘nL=-二-~甲尸=jc*AN/1.25_N1.36美A天A、1/1.7一二共~上。j也就是说,框架柱轴压比限值的设计值大约是标准值的1.7倍.这样,对应于I,n,111级钢配筋框架柱的轴压比限值的设计值分别为1.04,0.92和0.90.32轴压比限值影响因素(l)框架柱截面形状的影响世界地震工程14卷框架柱的断面形状,将直接影响柱截面界限破坏时钢筋和混凝土内应变、应力的分布〔:l1.另外,截面形状还将严重影响混凝土受压边缘的极限压应变试验标准值此。,从而影响到轴压比限值的标准值。对于圆形截面,已有的计算结果表明闪,轴压比限值可以达到1.0。(2)框架柱剪跨比以~刊2h公的影响建立在截面界限破坏基础上的轴压比公式的推导中,没有体现出剪跨比的影响.事实上,剪跨比能够大体反映截面上弯曲应力与剪切应力的比例关系,因而是框架柱破坏形式的主导因素121].以往的试验与研究认为,框架柱的剪跨比又越大,延性越好.在通常的配筋条件下,当又2时框架柱在横向水平剪力作用下,一般都是发生延性好的弯曲破坏;当又毛2时,框架柱就变成了短柱,在横向水平剪力作用下一般发生延性差的剪切破坏.(3)箍筋形式与含量的影响在利用界限破坏条件推导框架柱的轴压比限值时,并没有考虑箍筋约束的有利影响。箍筋能改善棍凝土的受力性能,特别是能提高混凝土受压边缘的最大压应变。乙,许多文献中都介绍了约束混凝土的受力变形性能l..(4)外荷载作用形式的影响外荷载的特征及作用方式是影响框架柱抗力性能的外因.特别是考虑到抗震时,地震力作用的大小和方向不同,产生的应力大小和方向就不同,从而影响着钢筋混凝土框架柱的抗震性能.比如反映在单个构件上,单向压弯框架柱、双向压弯框架柱在低周反复荷载作用下的受力变形是不同的.4轴压比限值讨论与研究建议规范通过限制轴压比,保证框架柱有足够的变形能力,这实质上是为了保证框架柱在地震作用下发生大变形时,在低周反复荷载作用下具有较好的延性,且V一△(水平最大剪力一顶点水平位移)滞回曲线是稳定的,从而保证框架柱“大震不倒”.在低轴压比情况下,V一△滞回环骨架曲线的下降段比较平缓,框架柱承受变形的能力较大,而承载力降低不明显。在高轴压比情况下,V一占滞回环骨架曲线的下降段较陡,滞回环的丰满程度差,在循环次数不多的情况下,框架柱丧失的承载力较大,耗能能力较差.对轴压比加以限制,即要求在满足一定层间变形时(规范GBJll一89中,对框架和填充墙框架结构型式,层间弹塑性位移转角限值为l/50),在反复荷载作用下滞回曲线在第三个循环的抗力下降量不超过前一个循环的抗力下降量,从而保证了在大变形下仍有稳定的承载能力.应该指出,轴压比是一个静力范畴里的参数.用这一指标去衡量结构抗震(动力范畴)的延性强度,是有缺陷的。而在高层钢筋混凝土结构的设计实践中,框架柱的轴压比限值问题也到了必须进一步系统研究并加以解决的时候了.据笔者的初步工作门,建议加强以下几方面的研究工作:(l)在材料这一层次上,进一步进行材料宏观本构关系研究,包括复合应力状态下钢筋的本构关系、普通混凝土和高强混凝土的本构关系等.根据以往大量的国内外试验4期肖建庄等:钥筋混凝土框架柱轴压比限值问题研究成果,建立起更为简单而符合实际的反复荷载作用下钢筋和混凝土应力一应变本构关系的数学模型.模型中应充分考虑钢筋混凝土开裂后钢筋的拉伸强化、混凝土和钢筋间的粘结滑移,特别是箍筋对混凝土的约束效应,从而为构件与结构层次的非线性全过程分析和计算机仿真试验奠定基础.(2)在构件研究这一层次上,一方面应继续进行试验研究工作,特别是对圆形、异形断面柱、短柱(1.5簇几毛2)和极短柱以1.5)在反复荷载作用下的强度、变形进行研究;另一方面,应进一步进行简化延性计算方法及其限值的研究.我们认为,鉴于制定轴压比限值的根本原因是出于对构件延性的考虑,采用延性限值来代替轴压比值将是一个合理的选择。简化的延性计算方法应能反映框架柱截面形状、混凝土(包括高强棍凝土)强度、柱剪跨比、配箍形式与配箍率等主要参数的影响.对于延性限值的研究,可以考虑建立在前述本构关系基础上的计算机仿真试验所给出的统计分析结果.在这时,用随机结构分析与仿真试验思想将有助于使研究基础更符合工程实践背景.(3)在结构这一层次上,应对含有高轴压比钢筋混凝土框架柱的框架结构、框架一剪力墙结构和框架一筒体结构,进行整体结构分析.现行框架柱的轴压比限值是源于基本构件—柱子的低周反复试验和理