对高层建筑结构承重柱设计的探讨

[关键词]高层建筑 承重柱设计 探讨 

　　高层建筑结构承重柱种类比较多，其中比较常见的有钢纤维混凝土柱、箍筋约束混凝土柱等，这些承重柱各具优势，具体选择哪种类型，则需要根据高层建筑要求来定，有些类型的承重柱延性比较差，而有些承重柱轴压比不符合要求，设计人员要依据来选择承重柱。 

　　一、高层建筑结构承重柱的种类 

　　1.1 箍筋约束混凝土柱。根据配筋构造形式的不同，可分为普通箍、井字箍、井字复合箍、复合螺旋箍、连续复合矩形箍柱。箍筋约束混凝土柱的受力机理是利用复合钢箍或螺旋钢箍约束核心混凝土受压时的横向应变，使核心混凝土处于三向受压状态，从而提高混凝土强度，增加延性。这种类型柱在设计使用时，柱截面需做成圆形，适用性和灵活性差；采用焊接钢箍时，焊接麻烦，用钢量大，同时，钢箍约束核心混凝土横向应变有限，柱承载力提高和延性能的改进也是有限的。 

　　1.2 钢纤维混凝土柱。钢纤维混凝土是一种由水泥、粗细集料和随机分布的短纤维组合而成的复合材料。由于钢纤维阻滞基体混凝土裂缝的扩展，使其各项物理力学性能都比普通混凝土有明显的提高和改善。试验研究表明，随着钢纤维含量提高，混凝土极限压应变明显增大。在其他各项条件基本相同的情况下，掺入适量钢纤维能够明显提高构件的延性。 

　　1.3 钢管混凝土柱。根据截面形式不同，可分为方钢管混凝土柱、圆钢管混凝土柱和多边形钢管混凝土柱。钢管混凝土是将混凝土注入封闭的薄壁钢管内形成的一种组合结构材料，它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互制约，使其具备了优异的工作性能：承载力高、塑性和韧性好、经济效果好。采用钢管混凝土结构替代钢结构柱，可节约钢材50%左右；若替代钢筋混凝土柱，则在用钢量大体相同的情况下可减小柱截面面积50%左右。相应节约大量混凝土。 

　　二、高层建筑结构承重柱设计重点 

　　高层建筑结构承重柱设计的重要性不言而喻，在设计时需要抓住设计重点，能够起到事半功倍的作用，其设计重点主要有两点，一点是轴压比限值；另一点是抗震性能。具体阐述如下： 

　　1、轴压比限 

　　1.1 柱中轴压比是影响延性的主要因素之一，而影响混凝土柱延性的主要原因在于混凝土部分所分担的轴压力。确定一个合适的轴压比限值，以使混凝土柱的抗震延性得到满足，十分重要。同时轴压比是影响承重柱的破坏形态和变形能力的重要因素。《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）为了保证钢筋混凝土柱具有足够的延性，对柱的轴压比限值做出了规定，希望框架发生大偏心受压破坏，保证框架柱在地震作用下发生大变形时具有较好的延性，从而保证框架结构有足够的变形能力。实现框架大震不倒的抗震设计目标。对于箍筋约束混凝土柱，采用井字复合箍、复合螺旋箍、连续复合矩形箍钢筋混凝土柱，轴压比限值可增加0.10，但应保证最低配箍率的要求。 

　　1.2 高强混凝土柱材料的性能 

　　1.2.1 在材料的性能上，高强混凝土延性比普通混凝土延性差，在外荷作用下容易发生脆性破坏，但通过适当的配筋构造措施，用高强混凝土制作的构件延性同样可以满足设计要求，因此，其轴压比限值可不降低。 

　　1.2.2 钢纤维混凝土柱的性能。与普通混凝土类似，存在大偏心受压破坏和小偏心受压破坏两种破坏形态。当钢纤维掺入量在1%-2%范围内，钢纤维混凝土抗压强度提高幅度较小。参照钢筋混凝土框架柱轴压比限值理论分析，钢纤维混凝土柱轴压比限值可略有提高。 

　　1.2.3 钢管混凝土柱的性能。基于钢管混凝土压弯构件的水平力和位移恢复力特性的理论分析结果，钢管混凝土构件用于高层建筑中时，可采取限制长细比的办法，不必限定轴压比。 

　　1.2.4 钢骨混凝土柱的性能，相关研究根据钢骨混凝土柱正截面承载力和低周期反复水平力作用下的静力试验结果，从钢骨混凝土柱界限破坏时内力的平衡条件出发，推导出轴压比的理论计算公式，经简化后提出了实用计算公式。2、改善短柱抗震性能 

　　改进配筋构造型式，加强核心混凝土有效约束，如配置螺旋箍筋、复式箍筋、斜向交叉配筋等。提高构件承载力，减小轴压比，如钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱和高强混凝土柱等；改进材料性能，提高混凝土变形能力，如钢纤维混凝土柱等；采用分体柱，变短柱为长柱。 

　　三、高层建筑结构承重柱设计建议 

　　承重柱设计对高层建筑而言，尤为重要，因为高层建筑的荷载比较大，而且对抗震性能要求比较高，如果承重柱设计没有符合这两点要求，对高层建筑来说消极影响非常大，因此在设计承重柱时，需要满足工程要求，结合个人多年高层建筑结构承重柱设计经验，提出以下建议： 

　　首先，正确选择承重柱材料类型与性能直接影响到承重柱使用效果，尤其是荷载能力、强度方面影响特别大，通常情况下，承重柱制作材料都会选择钢管、高强混凝土材料，因为钢管具有一定的韧性，而混凝土性能也比较突出，因此使用这两种类型的材料完全符合工程要求，最为常见的承重柱为型钢高强混凝土柱；其次，注重承重柱的选型，其选型需要考虑比较多的问题是，其中最重要的有两项，一个是施工技术，另一个是经济指标，这两点要综合考虑，与此同时，还需要考虑承重柱轴力大小，轴力大小不同，其型号必然也不相同。之所以要重视承重柱的选型除了上述的原因外，还主要是因为抗震性能的要求，通常钢纤维混凝土柱能够满足高层建筑对抗震性能的要求；有些设计人员在承重柱选型时，没有考虑到截面尺寸的问题，所以选择的承重柱截面不适宜，出现截面尺寸过大的情况比较多，为了有效的缩减截面尺寸，可以选择高强混凝土柱等，这种类型对缩减承重柱尺寸效果比较好；最后，承重柱种类不同，其轴压比限值有所不同，因此在选定轴压比时，要视具体情况而定，尽量将误差降到最低。过高的轴压比，承重柱塑性会受到严重的影响，因为轴压比高，承重柱的预压应变比较大，预压应变对承重柱的塑性影响非常大，尤其是转动能力的影响，这样会降低承重柱的延性。但是如果轴压比比较低，承重柱的截面尺寸会出现过大的现象，则会影响承重柱的高度，这会影响承重的延性。基于以上叙述，在选择承重柱时，首先要考虑有限延性，其次注意选择轴压比，进而才能使承重柱最大程度的获得水平抗力。 

　　四、结语 

　　综上所述，可知对高层建筑结构承重柱设计进行探讨非常重要，因为作为建筑结构中普遍使用的承重柱构件，对设计人员的水平要求比较高，在此对其设计的相关问题进行探讨，能够为相关设计人员提供参考，使其在设计时能够注意到相关问题，而避免出现不必要的问题。 

　　参考文献 

　　[1] 张国军，吕西林.高轴压比高强混凝土短柱力学性能的试验研究[J].工业建筑.2005（3）. 

　　[2] 王铁成，卢明奇.轴压比对方钢管混凝土框架延性影响的有限元分析[J].吉林大学学报（工学版）.2005（1）.