穿层柱设计方法探讨

潘 奇

（中国建筑设计研究院有限公司绿色建筑设计研究院，北京 100120）

0 引言

近年来，随着商业、文旅建筑不断涌现，为满足人们对建筑空间的追求，挑空、双层通高、3层通高等无任何框架梁拉结的柱常出现在工程设计中。这些穿层柱是关系结构安全的薄弱构件，也必然成为设计关注的重点。如何在工程设计中选择合理的分析和处理方法是保证穿层柱安全可靠的关键点。以下结合某商业工程，通过对穿层柱及其周边中柱、边柱进行受力分析，以及对损伤破坏过程进行分析及对比，在受力分析及损伤破坏顺序的基础上，选择适合穿层柱设计的简单、高效的设计方法，以供结构设计参考。

1 工程概况

北京某商业建筑设计使用年限为50年，地面粗糙度为C类，风荷载标准值为0.45kN/m2。该商业建筑共6层，其中地下1层，地上5层，层高均为4m，框架结构；抗震设防烈度为8度（0.2g）[1]，第二组，Ⅱ类场地，框架抗震等级为二级；柱网分布较均匀，为满足大空间功能的建筑需求，柱网间均为10m×10m，x向为8跨，y向为 3跨，柱截面 1～3层为 950mm×950mm，4～5层为900mm×900mm，柱混凝土强度等级1～3层为C40，其余均为C30；梁、板混凝土强度等级均为C30，钢筋强度等级均为HRB400；活荷载按商业取3.0kN/m2[2]。其中此商业在4，5层存在穿层柱，商业结构三维模型如图1，2所示。

图1 商业建筑结构三维模型

图2 穿层柱楼层三维模型

2 利用穿层柱静力弹塑性计算研究其破坏顺序

Push-over分析方法本质上是一种与反应谱相结合的静力弹塑性分析方法，是按一定水平荷载加载方式对结构施加单调递增的水平荷载，逐步将结构推至一个给定的目标位移以研究分析结构的线性性能，从而判断结构及构件的变形、受力、是否满足设计要求。通过Push-over分析各框架柱破坏顺序[3]，首先选择重力荷载代表值作为初始荷载，利用倒三角形加载模式，分别作用于结构的x向和y向对结构进行分步推覆，满足层高的1/20可停止加载，杆件铰截面破坏刚度指数取0.7，并考虑梁柱刚域。通过分析其推覆过程中损伤及破坏的机理与顺序，通过不同加载过程损伤的变化、塑性铰出现的顺序及剪力变化，找出影响穿层柱设计的关键点，进而提出合理的穿层柱设计方法。

通过PKPM计算软件进行PUSH的加载过程分析可知，加载到32步时，大部分柱出现塑性铰开始轻微破坏，但穿层柱仍表现为弹性，未出现任何损伤；加载到47步时大部分柱已出现严重破坏，但穿层柱刚出现塑性铰，即轻微破坏；加载到60步时，相较47步大部分柱出现更严重的破坏，而穿层柱依然维持轻微的破坏。通过对各框架柱的破坏过程分析可知，由于穿层柱的高度为2层通高，L/i较大，刚度减小，因此吸收的地震力较小，故其大部分加载步处于弹性状态，而与穿层柱相邻的中柱及边柱相对刚度较大，吸收较大地震力，其损伤随着加载力的增大不断严重，直至刚度不断退化，地震力不断转移到穿层柱，直至穿层柱在较大地震力作用下出现塑性铰。由上述分析可知穿层柱的破坏和受力机理，从而根据损伤过程选择合适的穿层柱剪力计算方法。因此在穿层柱的分析中应考虑其周边柱损坏的情况下，原边柱及中柱刚度退化卸载的力，只有这样才能后续继续保证构件及结构的安全性。

3 多遇地震及设防地震抗剪弹性穿层柱的地震剪力分配

通过PKPM软件计算可知，穿层柱、中柱、边柱在多遇地震及性能指标为设防地震抗剪弹性的情况下x、y方向的地震剪力数值分配，如图3～6所示。在计算时考虑框架梁刚度的放大及隔墙等对框架周期的影响，而且设防地震抗剪弹性设计时，由于隔墙等已破坏严重，可适当考虑周期及阻尼的加大，放大系数根据具体项目隔墙、损伤构件多少进行评定。在不同地震工况及性能指标下，统计x向及y向的剪力进行对比分析。

图3 多遇地震x方向剪力数值（单位：kN）

图4 多遇地震y方向剪力数值（单位：kN）

图6 设防地震抗剪弹性x方向剪力数值（单位：kN）

由图3，4可知，多遇地震工况下x向及y向穿层柱地震剪力数值相较其相邻x向及y向边柱数值小很多，同样由图5，6可知，设防地震抗剪弹性的工况下穿层柱x向及y向地震剪力数值相对于其相邻x向及y向边柱数值小很多；通过对穿层柱及其相邻中柱、边柱的剪力数值分析可知，穿层柱由于其长度较大，刚度较小，导致其地震力在多遇地震及设防地震抗剪弹性的基础上分担很小，同样由穿层柱静力弹塑性计算，研究其破坏顺序，也同样说明前期地震剪力由中柱及边柱分担，穿层柱分担剪力较小，穿层柱呈现弹性状态，随着中柱及边柱发生较大损伤，刚度急剧降低，分担剪力不断减小，其减小剪力由至穿层柱分担，穿层柱才由弹性状态发生塑性破坏。

图5 设防地震抗剪弹性x方向剪力数值（单位：kN）

故由上述分析可知，当中柱及边柱损伤破坏时，穿层柱分担的剪力急剧增大，若按多遇地震工况下的剪力进行穿层柱设计，明显会出现安全隐患，缺乏足够的安全储备。按性能化设计时，设防地震抗剪弹性穿层柱的剪力与多遇地震工况下中柱及边柱剪力相当，且稍有加大。故穿层柱设计时可采用性能化设计，以满足设计安全性要求。

4 穿层柱设计方法介绍

通过分析穿层柱的损伤机理和破坏顺序，由此可归纳出简单、高效的设计方法实现整个结构的安全性，常用方法有包括剪力系数放大法和性能化设计。

1）剪力系数放大法 目前PKPM软件已能自动识别穿层柱，并按通高柱计算长度系数，在进行穿层柱设计时，只需按照剪力系数放大法，修改穿层柱的x、y向剪力系数，剪力放大系数等于穿层柱周边柱（x或y向）剪力/穿层柱剪力，显然能满足剪力的要求。

2）性能化设计 对穿层柱进行性能化设计，其设防地震抗剪弹性的性能指标下分担的剪力与多遇地震工况下相邻柱的剪力相当且偏大，故也可采用合理的性能指标下的性能化设计。

从概念设计角度来看，穿层柱属于薄弱及关键构件，因此在进行实际工程设计时，建议提高一度采取抗震构造措施，如加密箍筋间距（不大于150mm）、加大箍筋直径（不小于12mm），且应采用井字复合箍或复合螺旋箍，进行构造及概念设计上的加强，增强其变形能力即延性构造。而且穿层柱因中间层不连续属于薄弱构件，建议概念上加强上下层相邻跨板厚及配筋，可采取双层双向拉通筋及不小于150mm板厚。

5 结语

现阶段人们对于空间感的追求不断提高，穿层柱成为商业及高档建筑最常见的结构构件，因其特殊的受力及破坏顺序，在工程设计时更应引起更高的关注度。通过上述破坏顺序、破坏机理及受力性能的分析，可归纳出简单实用的设计方法，如剪力系数增大法、性能化设计方法及概念上对穿层柱加强的方法，可供具体项目设计及研究应用，既保证受力的合理性又保证设计的高效性，产生更高的价值收益。