鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架柱截面尺寸設(shè)計

1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架柱截面尺寸設(shè)計徐湘濤（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都610059）摘要：在結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)荷載確定后，影響框架柱截面尺寸的控制因素主要為軸壓比限值、層間位移角限值和剪壓比限值。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可先進行框架柱截面尺寸估算，并判定框架結(jié)構(gòu)抗震等級，然后通過PKPM軟件試算，根據(jù)相應(yīng)的控制因素限值進行框架柱截面尺寸修正，可取得更佳的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；框架柱；截面尺寸；PKPMDESIGNOFSECTIONSIZEOFFRAMECOLUMNSFORREINFORCEDCONCRETESTRUCTURESXuXiangtao（StateKey

2、LaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China）Keywords：reinforcedconcretestructure；framecolumn；sectionsize；PKPM目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架柱截面尺寸的確定大多采用估算方法，如果估算的截面尺寸符合要求時，便按估算的截面尺寸作為框架柱的最終截面尺寸；如果所需的截面尺寸與估算的截面尺寸相差較大，則需要重新估算和重新計算。如何合理確定框架柱的截面尺寸以滿足使用要求并取得更

3、佳的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題。1柱截面尺寸控制因素分析N=NNAcfc（1）式中：N為柱組合的軸壓力設(shè)計值；Ac為柱的全截面面積；fc為柱混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；N為柱軸壓比限值，對框架結(jié)構(gòu)一級、二級和三級抗震層間位移角抗震變形驗算是滿足建筑正常使用功能的重要措施，也是抗震性能設(shè)計的重要內(nèi)容，當(dāng)前采用層間應(yīng)位移角來衡量結(jié)構(gòu)的變形能力。針對框架結(jié)構(gòu)，進行多遇地震作用下的抗震變形驗算，其樓層內(nèi)最大的彈性層間位移角應(yīng)符合下式ue=eh1影響框架柱截面尺寸的因素眾多且比較重要，如層間位移角、軸壓比、剪壓比、縱筋含量和強度、配箍率、箍筋強度、混凝土強度、保護層厚度等。一般而言，當(dāng)豎向

4、荷載效應(yīng)顯著大于水平作用效應(yīng)時，框架柱的截面尺寸大多由軸壓比因素控制；反之，烈度越高、建筑層數(shù)越多，與水平效應(yīng)相關(guān)的控制因素（如層間位移角限值、剪壓比限值）將更為突出。1.1軸壓比試驗研究表明，受壓構(gòu)件的位移延性隨軸壓比增加而減小，限制框架柱的軸壓比主要是為了保證框架結(jié)構(gòu)的延性要求。針對框架結(jié)構(gòu)，框架柱的軸1壓比N應(yīng)符合下式要求：44Industrial，要求：（2）式中：ue為多遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的樓層內(nèi)最大的彈性層間位移；e為彈性層間位移角限值，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)取e=1/550；h為計算樓層層作1978年出生，者：徐湘濤，男，講師。收稿日期：20090717高。1.3剪壓比剪跨比和剪壓

5、比是判別抗側(cè)力構(gòu)件抗震性能的重要指標(biāo)，前者用于區(qū)分變形特征和變形能力，后者用于限制內(nèi)力和保證延性。GB500112001建筑1抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定，框架柱的剪跨比宜大于2。針對剪跨比大于2的框架柱，其剪壓比在有地震2組合時應(yīng)符合下式要求：REVc（3）0.2cfcbh0式中：RE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)，取0.85；Vc為框架柱的剪力設(shè)計值；fc為柱混凝土軸心抗壓強度設(shè)=h0分別為柱截面寬度、截面有效高度；c為計值；b、C80混凝土強度影響系數(shù)，當(dāng)不超過C50時取0.2，時取0.16，其間按線性內(nèi)插法確定。1.4控制因素分析據(jù)相關(guān)研究3可將其適當(dāng)縮小，根據(jù)PKPM試算結(jié)果，般稍偏大，再增加柱截面類型、

6、柱變斷面層數(shù)；而后判定框架結(jié)構(gòu)抗震等級，根據(jù)相應(yīng)的控制因素限值驗算并檢查配筋面積，經(jīng)反復(fù)試算后，最終確定柱截面類型和尺寸（圖1）。經(jīng)過上述步驟，可以實現(xiàn)滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的條件下，使柱截面尺寸取得更佳的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。，在結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)荷載確定后，框架柱截面尺寸控制因素主要為層間位移角限值、軸壓比限值和剪壓比限值（表1）。抗震等級為三、四級時，柱截面主要由軸壓比限值控制，依據(jù)軸壓比公式估算柱截面尺寸是合適的；抗震等級為二彈性層間位移角與軸壓比對框架底層柱的影級時，響程度相當(dāng)；當(dāng)為高烈度區(qū)、層數(shù)較少的二級框架可依據(jù)軸壓比控制柱截面尺寸；當(dāng)為中、低烈度時，區(qū)、層數(shù)較多的二級框架時

7、，應(yīng)主要考慮彈性層間位移角限值要求；抗震等級為一級時，框架底層柱截面主要由最小抗剪截面限值條件控制，剪壓比驗算應(yīng)成為設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。表1Table1地震烈度6度7度8度9度Fig.1圖1框架柱截面設(shè)計流程Optimumdesignflowchartofframecolumnssection2.1柱截面尺寸估算框架柱的截面尺寸應(yīng)根據(jù)承受豎向荷載大小、抗震設(shè)防烈度、軸壓比限值、混凝土強度等級、從屬面積等因素綜合考慮確定，一般可根據(jù)柱的軸壓比4限值按下式估算：nAgEN=（4）NfcNfc式中：Ac為柱截面面積；N為柱組合的軸壓力設(shè)計值；n為驗算截面以上樓層數(shù)；為考慮地震作用組Ac按上述方法確定的柱

8、截面高度不宜小于400mm，框架柱截面尺寸控制因素分析Controllingfactorsofframecolumnssection高度/m30>3030>3030>3025抗震等級四三三二二一一控制因素軸壓比限值軸壓比限值軸壓比限值彈性層間位移角限值軸壓比限值剪壓比限值剪壓比限值2柱截面尺寸設(shè)計鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計就是讓結(jié)構(gòu)在滿足承載力要求的情況下，使構(gòu)件的混凝土、鋼筋用量的總價最小，可借助PKPM軟件進行。在框架結(jié)構(gòu)設(shè)首先應(yīng)將板、梁截面尺寸調(diào)整合理，并選計過程中，定相應(yīng)的材料強度等級、分析與設(shè)計參數(shù)，然后輸入估算的柱截面進行試算；由于估算的柱截面尺寸一寬度不宜小于35

9、0mm，柱凈高與截面長邊尺寸之比宜大于4。2.2構(gòu)造措施框架柱的截面邊長非抗震設(shè)計時不宜小于250mm，抗震設(shè)計時不宜小于300mm；圓柱截面直徑不宜小于350mm。柱截面尺寸宜用整數(shù)，當(dāng)柱截宜取50mm的倍數(shù)；當(dāng)面尺寸小于等于800mm時，柱截面尺寸大于800mm時，宜用100mm的倍數(shù)。5柱剪跨比宜大于2，截面高寬比不宜大于3。為減少構(gòu)件類型以簡化施工，多層房屋中柱截面沿房屋高度不宜改變，高層建筑中柱截面沿房屋高度可根據(jù)房屋層數(shù)、高度、荷載等情況保持不變或作12次改變。框架柱上、下層截面高度不同時，從下至上，邊柱一般采取內(nèi)縮，中柱宜采取兩邊縮，每次縮小的柱截面高度以100150mm為宜。現(xiàn)

10、澆框架柱混凝土等級，當(dāng)抗震等級為一級時，不得低于C30；抗震等級為二、三、四級及非抗震時，9度不得低于C20；設(shè)防烈度8度時不宜大于C70，5柱截面尺寸控制因素驗算軸壓比驗算3算例某框架結(jié)構(gòu)辦公樓（圖3），主體結(jié)構(gòu)8層，層高3.3m，7度（0.10g）設(shè)防烈度，設(shè)計地震分組第一組，場2地類別類，框架抗震等級三級，基本風(fēng)壓0.3kN/m，地面粗糙度類別為C類。經(jīng)試算后確定梁截面為200mm×450mm、樓（屋）面結(jié)構(gòu)板，厚120mm。樓22面恒載為4.75kN/m、活載為2.0kN/m，屋面恒載22為6.70kN/m、上人屋面活載為2.0kN/m，梁間荷梁、柱載為10.0kN/m。板混

11、凝土強度等級為C20，混凝土強度等級為C25，板鋼筋類別為HPB235，梁、柱鋼筋類別為HRB335?！盎炷翗?gòu)件軸壓比控制驗算可以通過SATWE配筋及鋼構(gòu)件驗算簡圖”實現(xiàn)，該菜單功能是以圖形方式顯示配筋計算結(jié)果（圖2），若軸壓比Uc超限，則以紅色數(shù)字顯示；反之，以白色數(shù)字顯示。Fig.3圖3辦公樓結(jié)構(gòu)平面布置Structureplanoftheofficebuilding首先，進行柱截面估算，采用方形柱，估算中柱、521、369mm，邊柱、角柱邊長分別為599、應(yīng)分別取600、550、400mm，試算后，滿足要求（圖4）。由于該框架結(jié)構(gòu)抗震等級為三級，柱截面控制因素為軸壓比限值，可通過縮小柱

12、截面尺寸并控制柱截面軸壓比限值進行優(yōu)化設(shè)計；由于為多層房屋，沿房屋高度可不予改變。經(jīng)試算后，在滿足要求的前提下，柱截面中柱、邊柱、角柱邊長可分別取500，450，400mm（圖5）。相比于估算截面，修正后的框架柱截面尺寸大大減小。a矩形截面；b圓形截面Asc柱一根角筋的面積；Asx、Asy該柱B邊、H邊的單邊配筋面積（含2根角筋）；Asvj柱節(jié)點域抗剪箍筋的面積；GAsvAsv0柱加密區(qū)/非加密區(qū)斜截面抗剪箍筋的面積；Uc柱的軸壓比；As圓柱全截面配筋面積圖2Fig.2框架柱配筋示意6cm2Reinforcementdiagramofframecolumnsa中柱；b邊柱；c角柱注：圖中數(shù)字和

13、字符的含義與圖2相同。圖4Fig.4估算截面驗算結(jié)果示意Checkdiagramoftheestimatedsections“水平力作用下層間位移角控制驗算可以通過考慮地震作用組合的框架柱受剪截面的剪壓比應(yīng)滿足剪壓比限值，當(dāng)不能滿足要求時，程序給出超“超配筋信息WGCPJ.OUT”筋信息，在SATWE中提“節(jié)點域抗剪超限”，示在配筋簡圖上則以紅色字符表示6a中柱；b邊柱；c角柱注：圖中數(shù)字和字符的含義與圖2相同。圖5Fig.5修正截面驗算結(jié)果示意Checkdiagramoftheoptimizedsections，此時應(yīng)加大截面或提高混凝土強度等級。（下轉(zhuǎn)第59頁）464ZhangYG，Zha

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