柱及剪力墙配筋总结.docx

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柱及剪力墙配筋总结

框架柱及剪力墙结构设计

2011年02月

第一部分　框架柱结构设计

一、框架柱的受力特点

楼面荷载通过楼板传递到梁后，需要经过柱传递到基础，荷载向下传递过程中对柱会产生压力，因此受压是框架柱最重要的受力特点。

楼面荷载在梁内传递过程中对梁会产生弯矩，为平衡梁端弯矩，柱也会受到弯矩的作用。

此外，当结构受到风荷载或地震作用时，框架柱还要传递剪力，以及剪力产生的弯矩。

因此，框架柱受到的内力有压力、剪力及弯矩，图一是框架在竖向荷载下的受力简图。

　　　图一　框架柱在竖向荷载作用下的内力简图

二、框架柱的截面选择

柱的截面选择与其受力特点有关，为保证柱在受压的前提下，还能发挥其抗剪、抗弯能力，需要将柱受到的压力限制在一定范围内，通常采用轴压比这个指标来定义这个限值。

轴压比是一个比值，其分子项为柱所受到的压力，分母项为柱的砼抗压能力，计算公式为：

轴压比=N/fc*A

式中N为轴压力，A为柱截面面积，fc*A为承载力。

以C25砼为例，一根截面为1000mmx1000mm的砼柱，其受压承载力=fc*A=11.9x1000x1000=11900000N=11900kN=1190t，若此柱受到的压力为11900kN，此时轴压比为

N/fc*A=11900/11900=1.0

若控制此柱的轴压比为0.8，说明该柱还有20%的安全储备。

因此轴压比实际反映了构件抗压承载力的发挥程度，轴压比越小，构件的安全储备越高（抗震概念上称延性越好）。

关于延性：

延性是指材料超过弹性极限后破坏前抵抗变形的能力。

影响延性的因素很多，以下仅讨论与轴压比的关系：

框架柱同时受到压力、剪力及弯矩的作用，破坏形式有两种，小偏心受压破坏和大偏心受压破坏。

大偏心受压破坏是受拉钢筋先屈服然后混凝土被压碎，实际是受拉破坏，属于延性破坏。

小偏心受压破坏由于混凝土压碎而产生，不发生钢筋受拉破坏，属于脆性破坏。

构件轴压比越小，意味着受到的压力越小，构件发生小偏心受压破坏的可能性越小，发生大偏心受压的弯曲破坏可能性越大，符合抗震设计中延性设计的原则。

轴压比与柱截面有关，因此通过轴压比指标可以确定框架柱截面的大小。

现行抗震规范对轴压比的规定如表一，框架柱轴压比不宜超过表中数值，且不应大于1.05。

建造于Ⅳ类场地且较高的高层建筑，表中数值应适当减小。

表一　　柱轴压比限值表

结构类型

抗震等级

一

二

三

四

框架结构

0.65

0.75

0.85

0.9

框剪结构

0.75

0.85

0.90

0.95

框支结构

0.6

0.7

表中红色数字表示新抗规的要求，与原规范相比，新规范的变化主要体现在两个方面，一是四级框架柱的限值由1.05调整到0.9和0.95，二是框架结构减小了0.05。

注意表中限值适用于剪跨比大于2、砼强度等级不高于C60的框架柱。

剪跨比不大于2的框架柱，表中限值应降低0.05。

砼强度等级高于C60时，按抗规附录B设计。

设置芯柱或箍筋加大加密时，可提高柱的变形能力，此时轴压比限值可适当放宽，详规范6.3.6条的注解3、4条。

从该表可以看出，不同结构体系中的框架柱，轴压比限值不同。

抗震等级越高，或者说要求在结构中发挥作用越大的框架柱，其安全储备要求越高。

关于抗震等级：

抗震等级反映了对结构的抗震要求。

由于构件在结构中发挥的作用不同，同一结构不同构件、同一构件在不同结构体系中的抗震要求可能不同。

如框剪结构中的框架，其抗震要求就可低于框架结构中的框架，原因是框剪结构中主要是剪力墙发挥作用。

柱截面大小与轴压比有关，轴压比影响到框架柱的延性，因此如何正确计算轴压比在框架柱设计中很重要。

计算轴压比时轴力N取考虑地震作用组合的设计值，按抗规5.4.1条确定。

按抗规6.3.6注解1条，无需进行地震作用计算的结构，可取无地震作用组合的轴力设计值。

按抗规5.1.6－1条，6度区部分建筑可不进行截面抗震验算。

根据5.1.6条文说明，当地震作用在结构设计中基本上不起控制作用时，以及被地震经验所证明者，可不做抗震验算。

考虑到电算速度较快，无论地震作用是否起控制作用，建议均进行地震作用计算。

例如彰武项目，裙楼为四层商业，框架结构，6度，Ⅱ类场地，乙类建筑，框架抗震等级为三级，查表一，框架柱轴压比限值为0.85。

采用SATWE计算，考虑地震作用时框架柱的最大轴压比为0.81，不考虑地震作用时最大轴压比为0.94>0.81。

出现这种情况与工程条件有关，该工程为多层建筑，地震烈度低，活荷载较大。

考虑地震作用时，按抗规5.4.1条，荷载效应组合的设计值为

S＝1.2重力荷载代表值＋1.3水平地震作用

＝1.2（恒载＋0.5活载）＋1.3水平地震作用

＝1.2恒载＋0.6活载＋1.3水平地震作用　（式一）

不考虑地震作用时，按荷载规范3.2.3条，由可变荷载效应控制时，荷载效应组合的设计值为

S=1.2恒载＋1.4活载＋1.4x0.6风　（式二）

比较式一和式二，当地震作用较小，活荷载较大时，式二的计算结果可能大于式一，说明框架柱轴力的最不利组合设计值为非地震作用组合。

注意按表一验算轴压比时轴力N并不一定是最不利组合，当最不利组合设计值N为非地震组合时，应按抗规6.3.6注解5条控制轴压比，即要求轴压比≤1.05即可。

本项目按考虑地震作用轴压比0.81＜0.85，满足要求。

若按不考虑地震作用，0.94<1.05，也满足要求。

若用非地震组合值0.94与0.85比较，将导致柱截面加大，不经济。

PKPM完成结构计算后，会提供框架柱的轴压比计算结果，显示在框架柱的左上方，为一带括号的数字，如图二为某框架柱的SATWE计算结果，该柱的轴压比0.17。

该框架柱的抗震等级为一级，轴压比满足表一的要求。

图二　框架柱计算结果　　　　图三　框架柱施工图

根据SATWE轴压比计算结果及规范限值可调整框架柱截面大小。

初步设计时，也可按20kN/m2的楼层荷载估算柱截面。

例如某4层框架，柱网8X8m，每层柱承担的荷载为20X8X8＝1280kN，4层荷载传至柱底的压力N=1280X4=5120kN。

若轴压比控制为0.8，砼等级取C40，那么柱截面面积A＝5120X1000/（19.1X0.8）＝335078mm2，柱截面可取600x600mm。

当某框架柱的轴压比超出规范限值时，SATWE计算结果中“超配筋信息”会提示哪个编号的框架柱轴压比不满足要求，这时可考虑提高砼等级或加大柱截面。

轴压比仅是控制柱最小截面，保证框架柱的基本延性。

柱子最终截面还与楼层高度（失稳）、结构侧向刚度（控制位移）、甚至框架梁宽度有关，如当框架梁截面较宽时，为方便梁纵筋锚入柱内，尽管轴压比较小，也可能取较大的柱截面。

对于低层建筑，当梁跨度较大时，尽管柱受到的压力不大，通常采用截面宽度大于梁宽的框架柱，此时轴压比不起控制作用。

三、框架柱的构造要求

除了限制轴压比外，抗震设计对框架柱还有其它构造要求，详抗震规范6.3.5~6.3.10条，简单介绍如下：

1、截面尺寸：

柱截面的宽度和高度（圆柱的直径），四级或不超过2层时不宜小于300（350），一、二、三级且超过2层不宜小于400（450）。

2、纵筋最小配筋率：

同其它砼构件一样，框架柱纵筋也有最小配筋率要求。

不同位置、不同抗震等级的框架柱纵筋最小配筋率列于表二。

表二　　框架柱最小配筋率

类别

抗震等级

一

二

三

四

中柱和边柱

0.95（1.05）

0.75（0.85）

0.65（0.75）

0.55（0.65）

角柱、框支柱

1.15

0.95

0.85

0.75

注：

（1）该表用于钢筋强度标准值为400MPa。

钢筋强度标准值＞400MPa时，表中数值可减小0.05。

（2）表中括号内数值用于框架结构的柱。

（3）框架柱每侧纵筋配筋率尚不应小于0.2%。

（4）以下情况，表中数值应增加0.05：

①IV类场地且较高的高层建筑；②钢筋强度标准值小于400MPa；③砼等级高于C60。

3、延性要求：

除限制轴压比外，为保证强剪弱弯，提高构件变形能力，要求柱端箍筋加密。

加密区范围、箍筋直径和间距及肢距、箍筋体积配筋率均有要求。

还要求纵筋配筋率不应过大，一般框架柱不应大于5%，框支柱配筋率不宜大于4.0%，剪跨比不大于2的一级框架柱，其每侧纵筋配筋率不宜大于1.2%。

柱箍筋加密区的体积配箍率应符合下式要求：

ρv=λv*fc/fyv，　λv查抗规表6.3.9

fc为砼抗压强度设计值，强度等级低于C35时，按C35计算，因此建议框架柱采用砼等级不小于C35。

fyv为箍筋抗拉强度设计值，超过360MPa时按360MPa计算。

fyv越大，ρv越小。

为减小箍筋用量，柱箍筋应采用高强度钢筋。

实配箍筋的体积配箍率按砼规范7.8.3条计算：

ρv=Asv*∑L/Acor*s，

其中Asv为箍筋面积，∑L为截面内所有箍筋长度之和，Acor为外圈箍筋内表面（也就是纵筋外边界）面积，s为箍筋沿竖向间距。

注意按新抗规，不用扣除重叠部分的箍筋体积。

例题：

试求图二框架柱加密区的体积配箍率ρv，砼等级为C40，砼保护层为30，配筋详图三。

图三　框架柱施工图

按砼规范式7.8.3－2：

Acor=（600-2x30）2=291600

ρv＝4x78.5x（600-2x30）x2+4x78.5x200/（291600x100）=1.37%

该柱的轴压比0.17，查抗规表6.3.9，一级框架柱λv=0.10。

查砼规范表4.1.4，C40砼抗压强度设计值fc=19.1MPa，查表4.2.3－1，fyv=360。

故λv*fc/fyv＝0.1x19.1/360=0.53%，按抗规6.3.9－3－1）条，一级框架柱加密区的体积配箍率尚不应小于0.8%。

现实配ρv＝1.49%>0.8%，满足要求。

若按08规范扣除重叠部分箍筋体积，则

ρv＝4x78.5x（600-2x30）x2/（291600x100）=1.16%

仍可满足规范要求。

4、施工要求：

为保证砼浇筑质量，柱纵筋净距不小于50mm。

四、框架柱配筋设计

从前面分析可知，框架柱主要传递以下内力：

压力、弯矩和剪力。

压力由砼、纵筋及箍筋承担，其中砼及纵筋由计算确定，箍筋主要起约束作用，防止纵筋发生压屈破坏，提高砼变形能力从而提高柱延性。

弯矩产生的拉力由纵筋承担，纵筋可按压弯构件计算确定。

剪力由箍筋承担，同样由压弯构件计算确定。

PKPM可以完成框架柱的内力及配筋计算，我们主要是根据其计算结果进行施工图绘制，SATWE计算前需要确定柱的计算参数，可在SATWE中定义，图四为配筋参数：

图四　SATWE参考设置

SATWE计算的框架柱配筋包括6个结果，其单位为cm2，以图二为例，数值2.6表示该框架柱角筋的面积不小于2.6cm2，即260mm2。

（注：

采用单偏压算法时角筋可不受此值控制。

）

图二　框架柱计算结果

数值9表示该框架柱X方向每边纵筋的总面积不小于900mm2。

数值18表示框架柱Y方向每边纵筋的总面积不小于1800mm2。

数值1.8表示该框架柱节点域配置的箍筋面积在X、Y两个方向均不小于180mm2，默认箍筋间距为100。

数值G2.3表示框架柱加密区配置的箍筋面积在X、Y两个方向均不小于230mm2，默认箍筋间距为100。

数值0.6表示框架柱非加密区配置的箍筋面积在X、Y两个方向均不小于60mm2，默认箍筋间距为100。

若实配箍筋在非加密区采用200间距时，要求箍筋面积为60X2＝120。

根据SATWE计算结果，该柱配筋过程如下：

1.确定箍筋肢距：

根据抗规6.3.9条，一级抗震柱箍筋肢距不大于200，该框架柱截面为600X600，肢数取4可满足