框架柱及剪力墙结构设计。
2023年02月。
楼面荷载通过楼板传递到梁后，需要经过柱传递到基础，荷载向下传递过程中对柱会产生压力，因此受压是框架柱最重要的受力特点。楼面荷载在梁内传递过程中对梁会产生弯矩，为平衡梁端弯矩，柱也会受到弯矩的作用。此外，当结构受到风荷载或**作用时，框架柱还要传递剪力，以及剪力产生的弯矩。
因此，框架柱受到的内力有压力、剪力及弯矩，图一是框架在竖向荷载下的受力简图。
图一框架柱在竖向荷载作用下的内力简图。
柱的截面选择与其受力特点有关，为保证柱在受压的前提下，还能发挥其抗剪、抗弯能力，需要将柱受到的压力限制在一定范围内，通常采用轴压比这个指标来定义这个限值。
轴压比是一个比值，其分子项为柱所受到的压力，分母项为柱的砼抗压能力，计算公式为：
轴压比=n/fc*a
式中n为轴压力，a为柱截面面积，fc*a为承载力。
以c25砼为例，一根截面为1000mmx1000mm的砼柱，其受压承载力=fc*a=11.9x1000x1000=11900000 n=11900 kn=1190 t，若此柱受到的压力为11900 kn，此时轴压比为。
n/fc*a=11900/11900=1.0
若控制此柱的轴压比为0.8，说明该柱还有20%的安全储备。因此轴压比实际反映了构件抗压承载力的发挥程度，轴压比越小，构件的安全储备越高（抗震概念上称延性越好）。
关于延性：延性是指材料超过弹性极限后破坏前抵抗变形的能力。影响延性的因素很多，以下仅讨论与轴压比的关系：
框架柱同时受到压力、剪力及弯矩的作用，破坏形式有两种，小偏心受压破坏和大偏心受压破坏。大偏心受压破坏是受拉钢筋先屈服然后混凝土被压碎，实际是受拉破坏，属于延性破坏。小偏心受压破坏由于混凝土压碎而产生，不发生钢筋受拉破坏，属于脆性破坏。
构件轴压比越小，意味着受到的压力越小，构件发生小偏心受压破坏的可能性越小，发生大偏心受压的弯曲破坏可能性越大，符合抗震设计中延性设计的原则。
轴压比与柱截面有关，因此通过轴压比指标可以确定框架柱截面的大小。
现行抗震规范对轴压比的规定如表一，框架柱轴压比不宜超过表中数值，且不应大于1.05。建造于ⅳ类场地且较高的高层建筑，表中数值应适当减小。
表一柱轴压比限值表。
表中红色数字表示新抗规的要求，与原规范相比，新规范的变化主要体现在两个方面，一是四级框架柱的限值由1.05调整到0.9和0.95，二是框架结构减小了0.05。
注意表中限值适用于剪跨比大于2、砼强度等级不高于c60的框架柱。剪跨比不大于2的框架柱，表中限值应降低0.05。
砼强度等级高于c60时，按抗规附录b设计。设置芯柱或箍筋加大加密时，可提高柱的变形能力，此时轴压比限值可适当放宽，详规范6.3.
6条的注解条。
从该表可以看出，不同结构体系中的框架柱，轴压比限值不同。抗震等级越高，或者说要求在结构中发挥作用越大的框架柱，其安全储备要求越高。
关于抗震等级：抗震等级反映了对结构的抗震要求。由于构件在结构中发挥的作用不同，同一结构不同构件、同一构件在不同结构体系中的抗震要求可能不同。
如框剪结构中的框架，其抗震要求就可低于框架结构中的框架，原因是框剪结构中主要是剪力墙发挥作用。
柱截面大小与轴压比有关，轴压比影响到框架柱的延性，因此如何正确计算轴压比在框架柱设计中很重要。
计算轴压比时轴力n取考虑**作用组合的设计值，按抗规5.4.1条确定。
按抗规6.3.6注解1条，无需进行**作用计算的结构，可取无**作用组合的轴力设计值。
按抗规5.1.6－1条，6度区部分建筑可不进行截面抗震验算。
根据5.1.6条文说明，当**作用在结构设计中基本上不起控制作用时，以及被**经验所证明者，可不做抗震验算。
考虑到电算速度较快，无论**作用是否起控制作用，建议均进行**作用计算。
例如彰武项目，裙楼为四层商业，框架结构，6度，ⅱ类场地，乙类建筑，框架抗震等级为**，查表一，框架柱轴压比限值为0.85。采用satwe计算，考虑**作用时框架柱的最大轴压比为0.
81，不考虑**作用时最大轴压比为0.94>0.81。
出现这种情况与工程条件有关，该工程为多层建筑，**烈度低，活荷载较大。
考虑**作用时，按抗规5.4.1条，荷载效应组合的设计值为。
s＝1.2重力荷载代表值＋1.3水平**作用。
＝1.2（恒载＋0.5活载）＋1.3水平**作用。
＝1.2恒载＋0.6活载＋1.3水平**作用 （式一）
不考虑**作用时，按荷载规范3.2.3条，由可变荷载效应控制时，荷载效应组合的设计值为。
s=1.2恒载＋1.4活载＋1.4x0.6风 （式二）
比较式一和式二，当**作用较小，活荷载较大时，式二的计算结果可能大于式一，说明框架柱轴力的最不利组合设计值为非**作用组合。
注意按表一验算轴压比时轴力n并不一定是最不利组合，当最不利组合设计值n为非**组合时，应按抗规6.3.6注解5条控制轴压比，即要求轴压比≤1.05即可。
本项目按考虑**作用轴压比0.81＜0.85，满足要求。
若按不考虑**作用，0.94<1.05，也满足要求。
若用非**组合值0.94与0.85比较，将导致柱截面加大，不经济。
pkpm完成结构计算后，会提供框架柱的轴压比计算结果，显示在框架柱的左上方，为一带括号的数字，如图二为某框架柱的satwe计算结果，该柱的轴压比0.17。该框架柱的抗震等级为一级，轴压比满足表一的要求。
图二框架柱计算结果图三框架柱施工图。
根据satwe轴压比计算结果及规范限值可调整框架柱截面大小。初步设计时，也可按20 kn/m2的楼层荷载估算柱截面。例如某4层框架，柱网8x8m，每层柱承担的荷载为20x8x8＝1280 kn，4层荷载传至柱底的压力n=1280x4=5120 kn。
若轴压比控制为0.8，砼等级取c40，那么柱截面面积a＝5120x1000/（19.1x0.
8）＝335078mm2，柱截面可取600x600mm。
当某框架柱的轴压比超出规范限值时，satwe计算结果中“超配筋信息”会提示哪个编号的框架柱轴压比不满足要求，这时可考虑提高砼等级或加大柱截面。
轴压比仅是控制柱最小截面，保证框架柱的基本延性。柱子最终截面还与楼层高度（失稳）、结构侧向刚度（控制位移）、甚至框架梁宽度有关，如当框架梁截面较宽时，为方便梁纵筋锚入柱内，尽管轴压比较小，也可能取较大的柱截面。对于低层建筑，当梁跨度较大时，尽管柱受到的压力不大，通常采用截面宽度大于梁宽的框架柱，此时轴压比不起控制作用。
除了限制轴压比外，抗震设计对框架柱还有其它构造要求，详抗震规范6.3.5~6.3.10条，简单介绍如下：
1、截面尺寸：柱截面的宽度和高度（圆柱的直径），四级或不超过2层时不宜小于300（350），一、二、**且超过2层不宜小于400（450）。
2、纵筋最小配筋率：同其它砼构件一样，框架柱纵筋也有最小配筋率要求。不同位置、不同抗震等级的框架柱纵筋最小配筋率列于表二。
表二框架柱最小配筋率。
注：（1）该表用于钢筋强度标准值为400mpa。钢筋强度标准值＞400mpa时，表中数值可减小0.05。
2）表中括号内数值用于框架结构的柱。
3）框架柱每侧纵筋配筋率尚不应小于0.2%。
（4）以下情况，表中数值应增加0.05：①iv类场地且较高的高层建筑；②钢筋强度标准值小于400mpa；③砼等级高于c60。
3、延性要求：除限制轴压比外，为保证强剪弱弯，提高构件变形能力，要求柱端箍筋加密。加密区范围、箍筋直径和间距及肢距、箍筋体积配筋率均有要求。
还要求纵筋配筋率不应过大，一般框架柱不应大于5%，框支柱配筋率不宜大于4.0%，剪跨比不大于2的一级框架柱，其每侧纵筋配筋率不宜大于1.2%。
柱箍筋加密区的体积配箍率应符合下式要求：
v=λv*fc /fyv， λv查抗规表6.3.9
fc为砼抗压强度设计值，强度等级低于c35时，按c35计算，因此建议框架柱采用砼等级不小于c35。
fyv为箍筋抗拉强度设计值，超过360mpa时按360mpa计算。fyv越大，ρv越小。为减小箍筋用量，柱箍筋应采用高强度钢筋。
实配箍筋的体积配箍率按砼规范7.8.3条计算：
v=asv*∑l/acor*s，其中asv为箍筋面积，∑l 为截面内所有箍筋长度之和，acor为外圈箍筋内表面（也就是纵筋外边界）面积，s为箍筋沿竖向间距。注意按新抗规，不用扣除重叠部分的箍筋体积。
例题：试求图二框架柱加密区的体积配箍率ρv，砼等级为c40，砼保护层为30，配筋详图三。
图三框架柱施工图。
按砼规范式7.8.3－2：
acor=（600-2x30）2=291600
v＝4x78.5x（600-2x30）x2+4x78.5x200/（291600x100）=1.37%
该柱的轴压比0.17，查抗规表6.3.9，一级框架柱λv=0.10。
查砼规范表4.1.4，c40砼抗压强度设计值fc=19.1mpa，查表4.2.3－1，fyv=360。
故λv*fc /fyv＝0.1x19.1/360=0.53%，按抗规6.3.9－3－1）条，一级框架柱加密区的体积配箍率尚不应小于0.8%。
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