“構造柱”是“混凝土構造柱”(structural 混凝土 column)的簡稱,是在砌體房屋墻體的規定部位,按構造配筋,并按先砌墻后澆灌混凝土柱的施工順序制成的混凝土柱,在建筑圖紙中用符號GZ表示,主要作用是抵抗剪力等橫向載荷。
構造柱主要設置在外墻四角、錯層部位橫墻與外縱墻交接處、較大洞口兩側,大房間內外墻交接處等。其設置規范要求主要參考相關國家標準,如《砌體結構設計規范》GB50003-2011和《建筑抗震設計規范》GB50011-2010。
構造柱的約束能使破碎的墻體碎塊不易散落,減輕墻體開裂,以支撐樓蓋不致突然倒塌,從而提升建筑物整體性和抗震能力。所以,構造柱對提高砌體房屋的抗震能力有重要作用。也因此,構造柱的強度等級,以及它與墻體的連接,在配筋砌體工程的施工質量驗收規范國家標準中,屬于主控項目之一。
性能和作用
設置“構造柱”能提高砌體結構的抗剪能力和延性,一定程度上限制墻體裂縫的發生和發展,吸收地震產生的震動能量,起到卸載作用;增強砌體結構的整體性、穩定性,從而提高抗震能力。在工程設計中,為加強砌體結構抗震性能,設計施工中最為普遍、有效的方法就是設置“構造柱”。構造柱一般設置在內外墻交接處、縱橫墻交接處,并與每層圈梁做可靠連接。
國內外的地震研究表明,在房屋結構墻角處地震能量最大,因此地震中墻角處墻體的破壞也最嚴重。增設豎向鋼筋,能有效地提高磚房的抗側向荷載能力。如果將豎向鋼筋和圈梁的水平鋼筋連接在一起,則比單純在墻角加豎向鋼筋更有效。沒有構造柱的墻體一旦開裂,其荷載就不再有明顯增加,其開裂荷載與破壞載很接近,延性系數接近于1,即為脆性。在墻體中設置了構造柱后,一般墻體抵抗外力的強度最大可提高 20%,延性系數可以提高到2.5到3,墻體具有較大的非彈性變形能力,在墻體開裂后仍能承擔豎向壓力和一定的水平地震作用。使多層砌體房屋在遭遇大震時仍可保持一定的完整性而不至于突然倒塌。但構造柱作為一種防倒塌并不能保證建筑物不出現破壞。
設計規范
相關規程
構造柱的設計應遵循中華人民共和國國家標準(簡稱“國標”)中的相關規定,包括《砌體結構設計規范》GB50003-2011、《建筑抗震設計規范》GB?50011-2010,以及相關的建筑工程行業建設標準,如《混凝土小型空心砌塊建筑技術規程》JGJ/T 14-2011、《高層建筑混凝土結構技術規程[附條文說明]》JGJ 3-2010等。
設計原則
《砌體結構設計規范》GB50003-2011對構造柱對設置、設計與相關計算做出了詳細規定。
6.2章節,一般構造要求規定,山墻處的壁柱或構造柱宜砌至山墻頂部,且屋面構件應與山墻可靠拉結。
6.3章節,關于框架填充墻的規定中提到,填充墻端部應設置構造柱,柱間距宜不大于20倍墻厚且不大于4000毫米,柱寬度不小于100毫米。此外,當填充墻長度超過5米或墻長大于2倍層高時,墻體中部應加設構造柱。
6.5.2章節,防止或減輕墻體開裂的主要措施中規定,女兒墻應設置構造柱,構造柱間距不宜大于4m,構造柱應伸至女兒墻頂并與現澆鋼筋混凝土壓頂整澆在一起。
7.3.12章節規定,對于墻梁的構造規定中提到,承重墻梁的支座處應設置落地翼墻,當不能設置翼墻時,應設置落地且上、下貫通的混凝土構造柱。當墻梁墻體在靠近支座1/3跨度范圍內開洞時,支座處應設置落地且上、下貫通的混凝土構造柱,并應與每層圈梁連接。
《砌體結構設計規范》GB50003-2011中10.1章節與《建筑抗震設計規范》GB50011-2010中的3.9章節規定,構造柱的混凝土強度等級不應低于C20。
10.4章節,對于抗震墻砌體房屋抗震構件的規定中,規定了需要設置構造柱的具體情況:墻長大于4米時,以及洞口兩側,應在墻內增設鋼筋混凝土構造柱;過渡層墻體應在底部框架柱、抗震墻邊框柱、砌體抗震墻的構造柱或芯柱對應處設置構造柱或芯柱。
《建筑抗震設計規范》GB50011-2010的7.4章節規定了小砌塊房屋中替代芯柱的鋼筋混凝土構造柱的構造要求。7.5章節規定了底部框架-抗震墻砌體房屋的上部墻體中構造柱的設置要求。9.3章節規定了單層磚柱廠房構造柱設置要求。10.1章節規定了單層空曠房屋構造柱設置要求。
計算參考
《砌體結構設計規范》GB50003-2011中有構造柱相關計算的國家標準。其中,6.1.2章節規定了帶壁柱墻和帶構造柱墻的高厚比驗算公式,8.2章節規定了磚砌體和鋼筋混凝土構造柱組合墻中的構造柱設置原則和相關計算公式,10.2章節、10.3章節規定了相關承載力計算方法。
《建筑抗震設計規范》GB50011-2010中7.2章節規定了構造柱相關計算要點。
構造柱常見的截面尺寸是隨著墻厚成方形或者一邊為墻厚另一邊稍大成長方形,截面長邊不超過 240毫米的通常配置4根直徑為10或12mm的鋼筋。
設置規范
構造柱需要根據砌體結構體系、砌體類型、結構或構件的受力或穩定性要求來設置,設置時應注意其布置位置和連接構造,并應符合現行國家標準《建筑抗震設計規范》GB?50011的有關規定和《砌體結構設計規范》GB50003-2011有關規定。
構造柱通常設置在這些位置:外墻和內墻及縱橫墻的交接處及墻體的兩端;較大洞口的兩側、受力穩定性不足的小墻跺側邊及上人屋面的女兒墻;樓梯間的四角;框架結構中,跨度較大的梁下墻體厚度受限制時,設置于梁下;墻體的高厚比較大時,在適當部位設置以滿足高厚比要求,此時構造柱的間距不宜大于4m。
《砌體結構設計規范》GB50003-2011中10.2.4章節和《建筑抗震設計規范》GB?50011中7.3章節規定:
多層磚砌體房屋中的構造柱、約束普通磚墻中的構造柱,以及磚砌體房屋的樓、屋蓋中的構造柱的設置應符合《砌體結構設計規范》GB50003-2011中10.2章節的規定。樓梯間和坡屋頂房屋的構造柱設置要求應符合《建筑抗震設計規范》GB?50011中7.3章節的規定。
施工原則
鋼筋混凝土構造柱和底部框架-抗震墻房屋中的砌體抗震墻的施工,應先砌墻,后澆構造柱和框架梁柱。
常見質量問題
構造柱的常見質量問題包括:筋、拉接筋設置不能滿足規范規定;樓層間構造柱軸線錯位;混凝土接搓不好;構造柱有露筋和麻面現象;“跑漿”;空洞和“斷層”等。
技術措施
保證構造柱質量的施工措施包括:
驗收規范
《砌體結構工程施工質量驗收規范》GB50203-2011規定,構造柱的強度等級應符合設計要求,且預留拉結鋼筋的豎向移位每一構造柱不得超過2處。構造柱一般尺寸允許偏差及檢驗方法應符合表格規定,且每檢驗批抽查不應少于5處。
構造柱一般尺寸允許偏差及檢驗方法應符合規定。
相關研究
2023年,唐海平、周勇等人共同發表的論文《QC 活動提高構造柱驗收合格率研究》運用現場調查、原因分析,對比試驗等方法對施工現場構造柱的施工質量進行調查,找出了影響構造柱混凝土施工質量的主要原因,并擬定了對策。通過重新設計進料口形式和混凝土澆筑方式,顯著提高了構造柱混凝土的總體質量。
2023年,馬鳴揚和高瑞共同發表論文《構造柱鋁模板分段澆筑施工技術研究》提出,應用鋁模構造柱分段澆筑施工技術,工藝機具組合合理、結構可靠度高,經濟效益顯著。馬勝志、王萌等人發表的論文《構造柱柱頭輔助澆筑工具研制及應用》介紹了在填充墻砌體結構構造柱施工中,為改善柱頭混凝土澆筑工藝,研制出的新型構造柱柱頭輔助澆筑工具,該工具可以節省人工、節約材料,且操作便捷。
2019年,曹雄鋒、姚榮、吳海燕、姚貴樹共同為一種預制構造柱的施工方法申請了專利。該施工方法采用部分預制、部分現澆的方法,大大節約了構造柱施工過程中模板的使用量,節約了工期。
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