减小柱子截面的“卡脖子”技术

在追求建筑高品质的过程中，我们难免碰到这样一个问题， “如何把柱子截面做得更小？”

从宏观来看，把压柱变为拉柱，柱截面可以减小；解除柱子的抗侧需求，将框架柱变为摇摆柱，柱截面可以减小。但更常见的问题，其实是：在既有条件下，如何减小框架柱的截面尺寸？

在结构工程师眼中，这是一个没有太多技术含量的硬骨头，因为受力并没有减小，只能硬扛。但在某些建筑师眼中，柱子截面大小，是结构工程师技术水平的象征。虽然我们知道这是没道理的，但我们得讲道理。

当承载力需求不变，边界条件确定，材料等级确定，想要减小柱子截面，其方法无非以下几种：

1）   柱子为钢筋混凝土柱时，需要采取提高轴压比限值的措施，具体为《高规》6.4.2条注4或注5。即采用12@100的井字复合箍，轴压比限值可增加0.10；配置纵筋配筋率不小于0.8%的芯柱，轴压比限值也可增加0.05；

以抗震等级一级的框剪结构中的框柱为例，柱轴压比限值为0.75，采取两项措施之后，轴压比限值可增加至0.75+0.10+0.05=0.90；

柱子的轴压比承载力为0.90fcAc.

2）   如果钢筋混凝土柱还是无法满足截面需求，一般考虑型钢混凝土柱，即采用钢骨提高柱子的轴压比限值。

依然参考《高规》，抗震等级为一级的SRC柱，轴压比限值为0.70.

我们来算算。以直径为φ1500mm的柱子为例，混凝土强度C60，钢筋HRB400，型钢Q390；

当柱子含钢率为2.6%时，SRC柱的轴压比承载力与0.9fcAc相当。也就是说，柱子含钢率大于2.6%时，从控制柱子轴压比的角度看，尚可继续优化柱子截面。

3）   紧接着，我们会考虑钢管混凝土柱。

翻开《组合结构技术规程》（JGJ138-2016），圆形钢管混凝土柱有套箍指数、钢管径厚比、长细比的规定，但没有轴压比的规定。

什么意思呢？钢管混凝土柱可不受轴压比控制。看到这里，思路一下打开了。我们不禁好奇，钢管混凝土柱的截面究竟可以做多小？

当规范在某处为我们开了一扇窗，必然在另一处关上了一扇门。结构是不可能飞起来的，我总是这么提醒自己。

对受压柱来说，控制了轴压比，我们还要关注“正截面受压承载力”。

钢管混凝土柱的正截面受压承载力恰恰控制了柱截面。

16版的《组合结构技术规程》规定的轴心受压柱正截面受压承载力计算公式如下：

这里面的θ是套箍指数，其计算公式为faAa/fcAc，其值介于0.5~2.5，α和套箍指标界限值如下：

从公式来看，括号里面的αθ及根号θ+θ即为钢管混凝土的承载力增加值。如α取1.8，套箍指标界限值取1.56，假设套箍指数θ=1.5，则公式8.2.1-1对应的增加量为2.7；公式8.2.1-2对应的增加量也约为2.7。

这个增加量可以拆分为两部分，一部分是钢材本身引起的增加量，另一部分是套箍效应引起的增加量。前者对应套箍指标1.5，后者对应套箍效应2.7-1.5=1.2。

2.7是一个很可观的量，相当于把混凝土强度提高了1+2.7=3.7倍。

这确实比混凝土，型钢混凝土都厉害。但别高兴太早。公式里面还有一个长细比折减系数φ l 。

有一颗直径1.4m的钢管混凝土柱，等效计算长度Le=18.0m，Le/D=12.86＞4.0。

此时，长细比折减系数为φl=0.658。相当于把钢管混凝土柱承载力直接打六六折，挺狠的。

作为对比，我们看看混凝土柱的承载力折减系数，也叫轴压构件的稳定系数。

当长细比为12.86时，混凝土柱的稳定系数仅为0.90。

再看型钢混凝土柱轴心受压稳定系数。

按柱直径确定的长细比为12.86，换算为截面回转半径确定的长细比，其值约为51.4，对应稳定系数取为0.90。

0.658/0.9=0.73

钢管混凝土柱，由于套箍效应的存在，承载力提高了1.2倍，但稳定系数却折73%，所以承载力为0.9XfcAc（1+1.5+1.2）X0.9X0.73=1.6fcAc，其值与配置相同含钢率的型钢混凝土柱无异。

钢管混凝土柱是一个好东西，但在实际应用中却被卡脖子了。  

如何突破卡脖子技术？

我们翻出了另一本规范《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014），相比16版的组合规范，这算是老规范了。

这本规范给出的承载力折减系数如下：

上述公式按长细比对折减系数的计算方法进行了细分。

当长细比为12.86时，我们采用公式6.1.4-2计算折减系数，其值为0.80，比组合规范计算得到的0.658要好一些，但未达到0.90.

为了弄清楚为何一个折减系数为0.658，而另一个为0.80，我们仔细阅读了两本规范的条文说明，发现文字说明一模一样。

这个系数究竟该如何取？恐怕大家也是各执一端。

当我给建筑师讲明白套箍效应之后，   “钢管混凝土柱，其轴向受压承载力，是不是应该大于 相同含钢率的 型钢混凝土柱？”    建筑师问我，甲方工程师也问我。

我用双手卡住自己的脖子，陷入沉思。一向擅长讲道理的我，讲不出道理。

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