高层建筑结构设计中柱的加固方法

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：框架柱是承受竖向荷载的构件，而且破坏后不易修复，因此要按强柱弱梁概念设计框架，梁的配筋不宜过强，而柱的配筋却要加强，除此以外，还有一些部位要求加强，它们都有利于保证框架柱的安全。规范中要求柱加强的部位如下：调整柱端弯矩，实现强柱弱梁在同一个节点周边的梁端先出塑性铰，还是柱端先出塑性铰，关键在于梁和柱的相对配筋大小，可以用设计强度比来表达。

框架柱是承受竖向荷载的构件，而且破坏后不易修复，因此要按强柱弱梁概念设计框架，梁的配筋不宜过强，而柱的配筋却要加强，除此以外，还有一些部位要求加强，它们都有利于保证框架柱的安全。规范中要求柱加强的部位如下：

（1）调整柱端弯矩，实现强柱弱梁在同一个节点周边的梁端先出塑性铰，还是柱端先出塑性铰，关键在于梁和柱的相对配筋大小，可以用设计强度比（设计承载力/计算内力）来表达。图6-17a为梁、柱节点四周的端弯矩示意图，在外荷载作用下，节点周围的梁和柱的弯矩应当是平衡的，即∑（M^r_l+M^l_l）=∑（M^b_c+M^t_c），那么，设计强度比小的构件必然先出现屈服，因此设计时，往往需要加大柱截面的承载力，使梁先于柱出现铰，这就是所谓“强柱弱梁”设计。

图6-17 节点四周的梁、柱端弯矩示意图

a）节点四周弯矩平衡 b）梁端先屈服 c）柱端先屈服

应当注意，由内力计算再进行不利组合以后的节点周围弯矩已经不再符合平衡条件，在规范和规程中，采用了增大柱端弯矩设计值的方法提高柱的承载力。柱端弯矩设计值按下式计算：

抗震等级为一、二、三级框架的柱：

∑M_c=η_c∑M_b （6-9a）

式中 ∑M_c——节点上、下柱端截面顺时针或反时针方向的弯矩设计值之和；

∑M_b——节点左、右梁端截面反时针或顺时针方向的组合弯矩设计值之和；

η_c——柱端弯矩增大系数。

式（6-9a）采用梁的弯矩设计值计算柱端弯矩设计值，这是一种简化，真正的强柱弱梁应该按照梁的实配钢筋和材料实际强度计算，在规范上对于一级纯框架结构及9度抗震结构，除了符合式（6-9a）以外，还要求符合下式：

式中的∑M_bu就是节点左右梁端截面反时针或顺时针方向按实配钢筋和材料标准强度计算的正截面受弯承载力之和。

但是，应当注意的是，在上述公式中只要求柱端弯矩之和大于梁端弯矩之和，这并不能保证上、下柱端都不先出现塑性铰，因为当柱上、下端弯矩相差较大时（图6-17b），有可能弯矩大的一端安全余度小，另一端安全余度大，其总和符合要求，而单独一端却可能由于安全余度小而先于梁屈服，另一端则不屈服。图6-17c表示了梁端首先出现铰和柱一端首先出现铰的两种可能状态。不过，框架最危险的屈服机制是在一层柱的两端都出现塑性铰后形成的软弱层，保证一端不屈服就可以避免形成软弱层，因此规范方法是有效的。

（2）框架柱底层固定端弯矩增大，推迟其屈服在强柱弱梁的屈服机制下，柱固定端截面出现塑性铰就形成“机构”，见图5-8a。为了充分发挥梁铰机制的延性能力，采取了增大底层柱固定端截面的弯矩设计值的措施，以便推迟框架结构底层柱固定端截面的屈服。规范和规程规定将柱底组合弯矩值乘以增大系数。注意，如果计算简图取地下室底面为固定端，那么框架结构首层柱的下端截面弯矩仍需要按上述方法加大，而地下室柱底截面弯矩可以不加大。

（3）加大角柱设计内力，提高其承载力角柱的震害较多，因为实际地震作用来自双向，还伴随有扭转，角柱的内力比单向地震作用下计算的内力大（一般都按单向地震作用计算），且处于双向受力的不利状态，据分析，双向地震会使角柱内力加大30%以上。因此，在设计时，规范要求加大角柱内力设计值（要在按上述方法调整后的弯矩设计值上再乘以不小于1.10的增大系数），以提高其承载能力。除此以外，要求角柱的箍筋沿全高加密，也是增加其延性的重要构造措施。

（4）局部加强，推迟屈服其他一些需要提高柱子承载力的部位，性能设计时要求在中震或罕遇地震时不屈服的柱子，都可以根据需要提高其设计内力，从而提高它的承载力和安全余度而推迟其屈服。

高层建筑结构设计中柱的加固方法

相关推荐