关于框架柱轴压比在结构设计中的探讨

戴中辉

中国电建集团中南勘测设计院有限公司 长沙 410000

[摘要] 在工程中，轴压比是控制竖向构件设计的一个重要参数，既能直观的体现柱轴向承载力，也是反映构件在往复荷载作用下能具有较好的延性及塑性变形能力的一个重要指标。本文针对框架柱轴压比在设计中的控制同时给出作者的建议。

[关键词] 框架柱； 轴压比；承载力；

1 现行规范对轴压比的规定

《混凝土结构设计规范》（以下简称《混规》）在11.4.16条中指出：轴压比是指地震作用组合的轴向压力设计值与其全截面面积和材料轴心抗压强度设计值乘积的比值。

《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）对轴压比的定义与《混规》一样，但《抗规》补充了不进行地震作用计算的结构，在计算轴压比时轴向压力取无地震组合下的轴向压力设计值，但《抗规》并没有明确限值。

由规范可知地震作用组合下的轴向压力设计值： （1）

无地震作用组合下的轴向压力设计值：

（2）

通过比较两式，在无地震作用组合下轴向力设计值可能会大于地震作用组合下的轴向压力设计值，究其原因主要为以下三点：

1）一般框架结构在计算中只需要考虑水平地震作用，由其所引起的轴向力主要体现在边框柱上，但边框柱到中性轴的距离一般较远且边框柱的荷载从属面积小于中柱，故水平地震作用下柱子的轴压比可能会相对无地震作用组合偏小。

2）活荷载的参与系数不同，地震作用组合中重力荷载代表采用1.0恒+0.5活的组合值。

3）分项系数不同，无地震作用组合：恒载分项系数为1.3，活载分项系数为1.5；有地震作用组合：重力荷载代表值分项系数为1.3，水平地震作用分项系数为1.4；在新的《通用规范》出来以前，地震作用组合工况下的分项系数更低。

2 轴压比与承载力关系

框架柱基本为偏心受压构件，且一般为双向偏心。在偏心受压构件中又分为大偏心受压和小偏心受压，大偏心受压的破坏类似于适筋梁的破坏，具有一定的延性；小偏心受压破坏以受压侧混凝土压碎为控制，为脆性破坏；工程中应尽量避免小偏心破坏。

由图1可以看出弯矩-轴力相关性主要体现为：无论大小偏压，当轴力一定时，弯矩越大越不安全；大偏压时，当弯矩一定，轴力越大越有利；小偏压时，当弯矩一定，轴力越大越不安全。

由于工程中柱配筋基本为对称配筋，由此可知大小偏压界限处轴力为：，可相应的求出其轴压比为：，当钢筋采用HRB400时，则，同时可推出必定小于0.518。

由规范对轴压比的限值可知，一级框架轴压比限值最为严格，其值为0.6。由此可知当柱轴压比接近规范限值时，柱的受力方式基本均为小偏心受压。尤其是对三、四级框架，当底层柱轴压比限值接近规范限值时，由图1可以看出其容许弯矩限值将会进一步得到压缩，即间接反映结构能够承受的水平荷载将会减小。

3 工程实例

为了说明上述问题，本文以某三层停车楼为例，楼面恒载为1.5kN/m2，楼面活荷为4.0kN/m2，柱距为8.1米，典型柱截面为500x500，典型框架梁截面为300x750，梁柱混凝土等级均为C30，钢筋为HRB400，抗震设防烈度为6度，四级框架。

3.1 PKPM模型

以上述工程采用PKPM软件分别进行计算地震作用和不计算地震作用两种情况下的对比分析，由图2可知轴压比与竞品软件计算结果相同，均为0.87；但由图3可知其不计算地震模型，轴压比也为0.87，会误以为两种情况下轴压比计算方式是一样。

但经过对比图4及图5不难发现两种情况下轴压比对应的轴向力并不相同。这是由于在不计算地震作用下时，柱子的轴压比以重力荷载代表值作用下柱承受的轴向压力来计算，分项系数取为1.3，即。由此可以看出PKPM在处理不计算地震作用下轴压比时方法与竞品软件并不相同。针对不同使用性质的建筑，设计人员可以通过调整活荷载的重力荷载代表值系数来计算轴压比。

3.2同类软件模型对比

对其有地震作用和无地震作用两种情况进行模拟分析。

有地震作用模型轴压比及配筋输出结果详见图6与图7，可以看出柱子轴压比为0.87符合四级框架0.90的限值，且其配筋也为正常范围内。

但对该柱进行内力和配筋详细查看时不难发现：由图4、5可知在判断柱子轴压比时采用的内力组合为第29组合（地震作用组合），其轴向力设计值为3110.4kN；但柱子承载力并不是由该组合控制，而是由第7和第9两个组合（无地震作用组合）控制；且对比第7与第29组合，可以得出第7组合下的轴压比：，其值已经超过了1.0，如果不考虑钢筋抗压，此时效应已经大于抗力，明显有悖于规范的初衷。

为了对上述问题验证，仍用该模型，只是在总信息中修改为不计算地震作用的模型，对其重新进行计算。由图中可以看出同一模型在不计算地震作用时，柱轴压比输出反而超限。出现该现象的原因是由于软件在轴压比输出时完全采用《抗规》6.3.6条中对轴压比定义，在计算有震模型时候只输出地震作用组合下的轴压比，而在计算无震模型时才输出无地震组合下的轴压比。

3.3地梁层框架柱轴压比选取

目前针对框架柱地梁层柱配筋及轴压比的控制，主要存在以下两种做法：

地梁层建模在上部结构中体现，地梁层定义为地下室，嵌固端仍按基础顶选取；设计中，地梁按地梁层计算值进行配筋，但柱轴压比及配筋设计人员一般均按首层取值。

地梁层建模在基础拉梁中体现，上部结构模型从首层地面开始。

针对上述做法，柱设计时也存在如下问题：地梁层建在上部模型中，地梁层柱轴压比可能会超限，柱配筋相比首层柱会异常增大，为了说明该问题仍用上述模型进行有地震作用下的内力分析。

由图11与图12可知，地梁层由于承担了墙体荷载及该层自重，轴压比出现超限，且配筋明显增大较多。查其控制内力组合见图13及图14，轴压比0.93其对应组合号为29，而配筋所对应的控制组合为8、10组合。且由8、10组合所对应的内力可以看出，柱子此时弯矩很小，但配筋反而增大，说明此时柱子纵向钢筋的增大主要是参与到抵抗轴向力中而并非弯矩控制，此时非地震工况下所对应的轴压比已经超过四级框架0.9限值。

针对上述结果，对于柱下基础为独立基础，地梁实际是以框架柱为支座，故柱轴压比及配筋均应满足承载力及规范的构造要求；设计人员如果忽略地梁层柱子的轴压比及配筋是偏于不安全的，存在一定的安全隐患。而对柱子下面为桩基础的结构，地梁一般支撑在承台上，在设计中保证地梁层以上柱轴压比及配筋满足承载力及构造要求即可。

4 作者建议

1）现行规范和主流设计软件针对轴压比的概念基本都是停留在构件的抗震性能上，没有过多的关注轴压比与柱承载力的关系。

2）轴压比在结构抗震性能上的体现，主要是影响构件的延性和耗能能力。对于普通混凝土结构，当构件轴压比较高时，在往复荷载作用下，构件的开裂荷载和屈服荷载明显会提高，但其后期变形能力和耗能能力会明显减弱且其后期强度、刚度退化的越严重。故控制轴压比尽可能使得框架柱的破坏形态为大偏心受压，使结构能够获得良好的塑性变形能力和抗倒塌能力。

3）框架柱作为重要的竖向构件一旦破坏将会导致整个结构的损坏甚至倒塌。但目前设计中，设计人员都是以软件输出轴压比作为依据，控制其值不超过现行规范容许值即可。而软件输出的轴压比基本都为地震作用组合下的轴压比，且6、7度区的框架柱的设计基本都是由轴压比控制；但通过上述模型对比不难发现当按有震组合下的轴压比接近限值时，其无地震组合下往往会出现轴压比大于1.0的情况，其受力状态基本为高轴压比下的小偏心受压，结构够承受水平荷载的能力会大大减小，笔者认为在设计中是不够不合理的，可能是偏于不安全的。

4）在现行规范没有明确无地震组合下轴压比限值的情况，笔者认为软件在输出地震作用组合下的轴压比的同时应该增加无地震作用组合下轴压比供设计人员参考，且当无震组合下轴压比大于1.0可以设置超限信息输出。

5）结构设计人员对地梁层柱轴压比及配筋应结合工程实际作出合理地判断，而不是一贯的删除地梁层柱子轴压比及配筋结果。

参 考 文 献

[1] GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] JGJ 99-2015高层民用建筑钢结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.