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摘要：针对建筑结构计算时钢筋混凝土柱轴压比超限或截面过大的问题，提出
了解决的办法和实际应用中需要注意的事项。
Summary: Solutions and attentions in practical application， are raised to solve the problems of over limiting of reinforeced concrete column axle pressure ratio and section occurred in the calculation of archetectural structure.
关键词：程序，计算模型，轴压比，短柱，高强混凝土
Key words: Program, calculating model, axle pressure ratio, short column, high-strength concrete
中图分类号：TU7文献标识码：C文章编号：
抗震设计过程中，如果承担竖向荷载的钢筋混凝土柱轴力过大，其延性将变小，容易发生脆性破坏，使柱突然丧失承载能力，其危害性不言而喻。我国新《建筑抗震设计规范GB50011—2010》严格规定了钢筋混凝土柱的轴压比限值（见表1，适用于剪跨比大于2且混凝土强度等级不高于C60的情况），目的是为了使柱为大偏心受压，具有比较大的屈服后变形能力和耗能能力，增加建筑物的安全性。
多层建筑的高度比较低，荷载相对较小，一般不会因为要满足轴压比的限值而出现超大截面的“胖柱”。高层建筑则不然，进行结构计算时，底部若干层柱截面尺寸往往由轴压比控制，虽然纵向钢筋仅为构造配筋，而柱子的截面却非常大，对经济、美观、实用等指标均有不同程度的影响，甚至出现对抗震不利的轴压比限值更加严格的短柱。剪跨比不大于2时，轴压比限值见表2（对于剪跨比小于1.5的柱子，需要采取特殊构造措施，不在本文讨论范围之内）。通过降低建筑物高度、开间尺寸或使用荷载等方法，虽然能减小柱的轴力，却使工程达不到计划的目标。为了保证使用功能，又要符合规范的要求，在抗震计算中对轴力过大或轴压比超限的钢筋混凝土柱可以采取下述方法调整。
一．钢管混凝土柱
三维空间计算程序一般都支持钢管混凝土柱模型，可以直接输入。钢管混凝土柱能够在很大的位移下而不破坏，计算时没有轴压比的要求，因此可以达到减小柱截面的效果。其结构特征，同时具备了钢管和混凝土两种材料的性质。即管柱外部包裹钢管材料，管柱内部充填混凝土材料，因钢管壁对管内混凝土形成的刚性拘束作用，防止了管内混凝土的脆性破坏。实验和理论分析证明，钢管混凝土在轴向压力作用下，钢管的轴向和径向受压而环向受拉，混凝土则三向皆受压，钢管和混凝土皆处于三向应力状态。三向受压的混凝土抗压强度大大提高，同时塑性增大，其物理性能上发生了质的变化，由原来的脆性材料转变为塑性材料。钢管混凝土柱施工不需要模板，施工比较简单，制作过程中应严格依据规范和设计图纸的要求，采取切实可行的方法，并注意以下问题：（1）钢管卷制过程中及时调整，严格保证管端平面与管轴线垂直。（2）制订焊接工艺计划用于指导生产，控制焊接变形。（3）利用工具调整垂直度，保证钢管形心位置、垂直度满足设计和规范要求。（4）制订测量工艺，规定测试时間，减少日照景响，保证测量精度。（5）钢管混凝土柱按照现有规范规定，混凝土的实际强度对设计强度的保证率应超过95%，配合比设计还必须满足施工环境要求，包括坍落度损失的控制、可泵性、初终凝时间、早期强度等。
二．型钢混凝土柱
型钢混凝土(SRC)结构兼有钢结构和钢筋混凝土结构的优点,而克服其各自的缺点,是一种具有很好发展前景的结构形式。自有关规程颁布后,SRC结构在我国得到较快的发展。作为一种具有较好延性的结构 ,型钢混凝土组合结构在高层建筑中已逐渐被推广采用 ,《建筑抗震设计规范》及《高层建筑混凝土结构技术规程》中均提出采用这种组合结构来有效地改善建筑的抗震性能。此类型柱一般不能在常用计算程序中直接输入，需要采用刚度等效变换为钢筋混凝土柱来参加计算，求出内力以后，再按照型钢混凝土柱设计方法进行截面计算。钢的屈服强度数倍于混凝土的轴心抗压强度，同样的轴压力作用下，型钢混凝土柱的截面小，并且有良好的抗震性能。但其节点核芯区构造比较复杂，施工技术要求高。
三．柱内核心钢筋承担轴力
在柱中部三分之一左右的核心部位配置纵向钢筋，即成为一种新的钢筋混凝土柱——核心配筋柱。用核心钢筋承担轴力优于用周边钢筋承担轴力。其原因是：周边钢筋需要抵抗弯矩的作用，而弯矩对核心钢筋的影响小；混凝土保护层开裂、剥落后，周边钢筋和混凝土的粘结削弱，而核心钢筋和混凝土之间仍有良好的粘结；核心钢筋不会发生压曲；即使外围混凝土破坏，核心钢筋形成的芯柱仍能抵抗竖向荷载，防止大震下结构倒塌。与型钢混凝土柱类似，柱内核心钢筋承担轴力需要在计算内力的基础上另行计算。
四．使用高强混凝土
这是在工程计算上最容易实现同时也是使用频率最高的方法，一般三维计算程序都可以很好地支持。
通常情况下，混凝土强度等级从C30提高到C60，对受压构件可节省混凝土30%－40%；受弯构件可节省混凝土10%－20%。虽然高强混凝土比普通混凝土成本上要高一些，但由于减少了截面、结构自重减轻，因此节省基础造价，地震力也大大降低，这对自重占荷载主要部分的建筑物具有特别重要的意义。再者，由于梁柱截面缩小，不但在建筑上改变了肥梁胖柱的不美观的问题，而且可增加使用面积。
高强混凝土的强度高，耐久性好。但与一般混凝土相比，比较脆，变形能力稍差，计算和设计中要采取相应措施才能使结构物在地震力作用下满足变形和延性要求，以保证其具有良好的变形能力。计算模型中应尽量减少出现小偏心受压的受力情况，计算结果中影响延性的主要数据有：轴压比，含箍率，剪跨比，纵筋含钢率等。《建筑抗震设计规范》对高强混凝土柱的抗震构造措施规定：不超过C60混凝土的柱轴压比可与普通混凝土柱相同，C65～C70混凝土的柱宜比普通混凝土柱减小0.05，C75～C80混凝土的柱宜比普通混凝土柱减小0.1；当混凝土强度等级大于C60时，柱纵向钢筋的最小总配筋率比普通混凝土柱大0.1%；同时，对箍筋也作了相应的要求。
无论采用何种方法进行设计和计算，都要综合考虑理论与实际、经济与技术相结合的措施。在软件计算上要可行，确保能够建立正确的结构模型，还要考虑施工的技术要求，保证工程的最终质量。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
了解决的办法和实际应用中需要注意的事项。
Summary: Solutions and attentions in practical application， are raised to solve the problems of over limiting of reinforeced concrete column axle pressure ratio and section occurred in the calculation of archetectural structure.
关键词：程序，计算模型，轴压比，短柱，高强混凝土
Key words: Program, calculating model, axle pressure ratio, short column, high-strength concrete
中图分类号：TU7文献标识码：C文章编号：
抗震设计过程中，如果承担竖向荷载的钢筋混凝土柱轴力过大，其延性将变小，容易发生脆性破坏，使柱突然丧失承载能力，其危害性不言而喻。我国新《建筑抗震设计规范GB50011—2010》严格规定了钢筋混凝土柱的轴压比限值（见表1，适用于剪跨比大于2且混凝土强度等级不高于C60的情况），目的是为了使柱为大偏心受压，具有比较大的屈服后变形能力和耗能能力，增加建筑物的安全性。
多层建筑的高度比较低，荷载相对较小，一般不会因为要满足轴压比的限值而出现超大截面的“胖柱”。高层建筑则不然，进行结构计算时，底部若干层柱截面尺寸往往由轴压比控制，虽然纵向钢筋仅为构造配筋，而柱子的截面却非常大，对经济、美观、实用等指标均有不同程度的影响，甚至出现对抗震不利的轴压比限值更加严格的短柱。剪跨比不大于2时，轴压比限值见表2（对于剪跨比小于1.5的柱子，需要采取特殊构造措施，不在本文讨论范围之内）。通过降低建筑物高度、开间尺寸或使用荷载等方法，虽然能减小柱的轴力，却使工程达不到计划的目标。为了保证使用功能，又要符合规范的要求，在抗震计算中对轴力过大或轴压比超限的钢筋混凝土柱可以采取下述方法调整。
一．钢管混凝土柱
三维空间计算程序一般都支持钢管混凝土柱模型，可以直接输入。钢管混凝土柱能够在很大的位移下而不破坏，计算时没有轴压比的要求，因此可以达到减小柱截面的效果。其结构特征，同时具备了钢管和混凝土两种材料的性质。即管柱外部包裹钢管材料，管柱内部充填混凝土材料，因钢管壁对管内混凝土形成的刚性拘束作用，防止了管内混凝土的脆性破坏。实验和理论分析证明，钢管混凝土在轴向压力作用下，钢管的轴向和径向受压而环向受拉，混凝土则三向皆受压，钢管和混凝土皆处于三向应力状态。三向受压的混凝土抗压强度大大提高，同时塑性增大，其物理性能上发生了质的变化，由原来的脆性材料转变为塑性材料。钢管混凝土柱施工不需要模板，施工比较简单，制作过程中应严格依据规范和设计图纸的要求，采取切实可行的方法，并注意以下问题：（1）钢管卷制过程中及时调整，严格保证管端平面与管轴线垂直。（2）制订焊接工艺计划用于指导生产，控制焊接变形。（3）利用工具调整垂直度，保证钢管形心位置、垂直度满足设计和规范要求。（4）制订测量工艺，规定测试时間，减少日照景响，保证测量精度。（5）钢管混凝土柱按照现有规范规定，混凝土的实际强度对设计强度的保证率应超过95%，配合比设计还必须满足施工环境要求，包括坍落度损失的控制、可泵性、初终凝时间、早期强度等。
二．型钢混凝土柱
型钢混凝土(SRC)结构兼有钢结构和钢筋混凝土结构的优点,而克服其各自的缺点,是一种具有很好发展前景的结构形式。自有关规程颁布后,SRC结构在我国得到较快的发展。作为一种具有较好延性的结构 ,型钢混凝土组合结构在高层建筑中已逐渐被推广采用 ,《建筑抗震设计规范》及《高层建筑混凝土结构技术规程》中均提出采用这种组合结构来有效地改善建筑的抗震性能。此类型柱一般不能在常用计算程序中直接输入，需要采用刚度等效变换为钢筋混凝土柱来参加计算，求出内力以后，再按照型钢混凝土柱设计方法进行截面计算。钢的屈服强度数倍于混凝土的轴心抗压强度，同样的轴压力作用下，型钢混凝土柱的截面小，并且有良好的抗震性能。但其节点核芯区构造比较复杂，施工技术要求高。
三．柱内核心钢筋承担轴力
在柱中部三分之一左右的核心部位配置纵向钢筋，即成为一种新的钢筋混凝土柱——核心配筋柱。用核心钢筋承担轴力优于用周边钢筋承担轴力。其原因是：周边钢筋需要抵抗弯矩的作用，而弯矩对核心钢筋的影响小；混凝土保护层开裂、剥落后，周边钢筋和混凝土的粘结削弱，而核心钢筋和混凝土之间仍有良好的粘结；核心钢筋不会发生压曲；即使外围混凝土破坏，核心钢筋形成的芯柱仍能抵抗竖向荷载，防止大震下结构倒塌。与型钢混凝土柱类似，柱内核心钢筋承担轴力需要在计算内力的基础上另行计算。
四．使用高强混凝土
这是在工程计算上最容易实现同时也是使用频率最高的方法，一般三维计算程序都可以很好地支持。
通常情况下，混凝土强度等级从C30提高到C60，对受压构件可节省混凝土30%－40%；受弯构件可节省混凝土10%－20%。虽然高强混凝土比普通混凝土成本上要高一些，但由于减少了截面、结构自重减轻，因此节省基础造价，地震力也大大降低，这对自重占荷载主要部分的建筑物具有特别重要的意义。再者，由于梁柱截面缩小，不但在建筑上改变了肥梁胖柱的不美观的问题，而且可增加使用面积。
高强混凝土的强度高，耐久性好。但与一般混凝土相比，比较脆，变形能力稍差，计算和设计中要采取相应措施才能使结构物在地震力作用下满足变形和延性要求，以保证其具有良好的变形能力。计算模型中应尽量减少出现小偏心受压的受力情况，计算结果中影响延性的主要数据有：轴压比，含箍率，剪跨比，纵筋含钢率等。《建筑抗震设计规范》对高强混凝土柱的抗震构造措施规定：不超过C60混凝土的柱轴压比可与普通混凝土柱相同，C65～C70混凝土的柱宜比普通混凝土柱减小0.05，C75～C80混凝土的柱宜比普通混凝土柱减小0.1；当混凝土强度等级大于C60时，柱纵向钢筋的最小总配筋率比普通混凝土柱大0.1%；同时，对箍筋也作了相应的要求。
无论采用何种方法进行设计和计算，都要综合考虑理论与实际、经济与技术相结合的措施。在软件计算上要可行，确保能够建立正确的结构模型，还要考虑施工的技术要求，保证工程的最终质量。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看