淺談結構設計中構造柱的工程應用
工程技術
作者：張春旭 張浩鴻
【摘要】針對唐山和汶川地震中房屋牆角處牆體的破壞最為嚴重等構造問題，規範強調圈梁和構造柱能在很大程度上緩解這種現象。其中構造柱在住宅建築設計中意義重大，不僅提高了房屋結構的延性，而且具有在地震時抗震，非地震時承重的特點。筆者就在結構設計中構造柱的作用、布置原則、可能遇到的問題及應對措施進行了探討，以便對相似工程問題做出參考。
【關鍵詞】構造問題；圈梁；構造柱；延性
1、引言
經過1976年唐山大地震和2008年汶川大地震及其他多次地震的考驗證明，地震能量在房屋結構上的反應猶如尖端放電一樣，即在牆角處地震能量最大，直接導致牆角處牆體的破壞最為嚴重。假設能增設豎向鋼筋或者混凝土，能有效地提高磚房的抗側剛度，進而抵抗地震力的破壞。倘能將牆角的豎向鋼筋、門窗旁的豎向鋼筋以及窗洞上方的圈梁的水平鋼筋連接在一起使用，則又比單純在牆角加豎向鋼筋更為有效。在磚混結構的住宅工程中，為了提高地震區的抗震能力，增加整體剛度和延性，一般通過增設圈梁和構造柱來提高抗拉與抗剪強度。構造柱與圈梁能夠形成簡單的框架體係，即使在沒有圈梁的情況下也能增加整體結構的抗側剛度，進而更有效的抵抗地震力。
這種加約束牆體（含構造柱）在遭遇強烈地震時，能提高整體結構的延性。不僅具有較大的非彈性變形能力，而且在牆體開裂後仍能承擔豎向荷載和水平向地震作用，從而避免了強震對結構物的損傷，保證室內人員的安全和財產損失。由於經濟合理，施工方便，經濟和社會效益明顯越來越被人們接受。
2、構造柱在結構中的作用
構造柱是主要用於設防烈度較高的砌體結構中，旨在提高建築物抗震能力，同時也能在非地震時承當豎向荷載。在房屋結構的適當部位內設置構造柱（和圈梁共同作用），共同加強建築物的穩定性。與構造柱的組合磚砌體柱，是當砌體受壓構件偏心距e較大的無筋砌體，承載能力不足而柱截麵受限製，在砌體的外表麵附上加強型混凝土或抹砂漿麵層從而共同組成受壓構件。這種組合砌體的一般要求在砌體結構設計規範中有相應的規定，而構造柱做法是被包圍在砌體結構內部的現澆混凝土柱。
在框架結構填充牆中的構造柱是主要是為了增強結構的整體性，保證填充牆與混凝土結構有著可靠連接。當發生地震時，使填充牆和構造柱整體結構由脆性破壞向延性破壞轉變，構造柱由彈性向彈塑性發展的同時吸收大部分地震能量，滿足“中震可修”的設防標準，甚至同時達到“大震不倒”的設防目標。構造柱對框架梁的作用同樣很重要。由於填充牆多采用輕質高強塊材，不符合牆梁的要求，難以形成牆梁整體效應，在結構設計中多把牆體當作荷載處理。在框架結構設計中，常忽略構造柱的受力作用，故設置構造柱可能降低框架梁的受力以及配筋，同時也更能發揮與框架梁的整體性能。在規則框架結構中，各層荷載大小大致相同，在重力荷載作用下未設置構造柱時，框架梁的受力模式按荷載大小和框架梁柱的剛度分配彎矩和位移；增設構造柱後，由於跨度相對減小，使得分配彎矩和位移減小。增加了抗側剛度，有助於避免重力二階效應的發生，符合強度弱梁的概念設計。
在砌體結構中的構造柱作用不盡相同，旨在提高砌體結構（或混合結構）抵抗水平地震作用的能力。從建築結構的構造上來說，砌體結構中的鋼筋混凝土構造柱在增強內外牆的結構整體性的同時還與圈梁共同作用從而增強了抵抗地震作用的能力。所以，對於地震地區及基礎薄弱的地區，確保房屋安全使用和降低災害性損壞的程度，混凝土構造柱是不可忽視的結構構件。施工時先砌磚牆後澆築混凝土柱（構造柱），這樣能增加橫牆的有機結合，往往可以提高砌體的整體承載能力約25%，同時在水平剪力作用下能明顯約束牆體的開裂。再者，構造柱與圈梁的共同工作時可以把牆體分割包圍，當牆體開裂時能迫使裂縫在所包圍的範圍之內，避免進一步擴展。即使牆體出現裂縫後也能限製它的錯位，使其保持承載能力的前提下吸收振動能量而不易較早倒塌。構造柱作為豎向承載構件，可以阻止或延緩倒塌時間給室內人員有足夠時間逃生。構造柱與圈梁連接又可以起到類似框架結構的作用，其作用效果非常明顯。