钢筋混凝土结构中的螺旋箍筋柱及其特点

当柱承受的轴向荷载较大，同时其截面尺寸由于建筑上及使用上的要求而受到限制，可考虑采用螺旋箍筋柱，如图7-10所示。螺旋箍筋柱与普通箍筋柱不同，螺旋箍筋可对核芯混凝土周边提供均匀的约束压应力，矩形箍筋对混凝土的约束作用较差，这是由于来自混凝土的横向推力将使矩形箍筋的各边产生水平方向的弯曲，箍筋仅能在靠近截面的拐角处产生约束应力，如图7-11所示。

采用螺旋箍筋柱不仅可以提高柱的承载力而且可以增加核芯混凝土的极限变形能力，增加柱的延性。

图7-10 螺旋箍筋柱

图7-11 螺旋箍筋与矩形箍筋约束效果的对比

1.试验研究结果

螺旋箍筋柱在低水平的压应力情况下，由于核芯混凝土的横向变形很小，此时螺旋箍筋的应力很小。随着荷载的增加，在接近混凝土单轴抗压强度的应力下，保护层混凝土开始剥落。核芯混凝土内部开裂，横向变形发展很快，向外挤压螺旋箍筋，从而导致螺旋箍筋对核芯混凝土施加约束反作用，使核芯混凝土处于三向压应力状态。随着荷载的增大，螺旋箍筋的拉应力不断加大，直至螺旋箍筋屈服，混凝土达到复合受力情况下的抗压强度而使柱丧失承载力。试验还表明螺旋箍筋对核芯混凝土的约束程度随混凝土强度的提高而有所降低。

2.正截面轴心受压承载力计算

当混凝土受轴向压力及四周的径向均匀压应力σ作用时，则其抗压强度将由单轴受压时的f_c提高到f_cc，f_cc值由下式确定

f_cc=f_c+Kσ （7-3）

式中 f_cc——被约束后混凝土轴心抗压强度；

σ——当螺旋箍筋的应力达到屈服强度时，受压构件的核芯混凝土受到的径向压应力值；

K——与约束径向压应力水平有关的影响系数，K=4.1～7.0。

对σ值可按图7-12所示具体推导如下

图7-12 混凝土径向压应力

故

式中 f_yv——螺旋箍筋的抗拉强度设计值；

d_cor——核芯截面的直径，取箍筋内表面之间的距离；

A_cor——构件的核芯截面面积，取箍筋内表面范围内的混凝土面积；

s——沿构件轴线方向螺旋箍筋的螺距；

A_ss1——单肢螺旋筋的截面面积；

A_ss0——螺旋箍筋的换算截面面积。

配有螺旋箍筋或焊接环式箍筋柱的承载力，可按纵向内外力平衡的条件，推导出其计算公式为

N≤N_u=f_ccA_cor+f′_yA′_s=（f_c+Kσ）A_cor+f′_yA′_s

当取K=4时 N≤N_u=f_cA_cor+2f_yvA_ss0+f′_yA′_s

当考虑可靠度调整系数为0.9及高强混凝土的性能，《规范》给出的轴心受压承载力计算公式为：

N≤N_u=0.9（f_cA_cor+2αf_yvA_ss0+f′_yA′_s） （7-6）

α称为螺旋箍筋对混凝土约束的折减系数；当混凝土强度等级不超过C50时，α=1.0；当混凝土强度等级为C80时，α=0.85，其间按线性内插法确定。

在螺旋箍筋柱内，保护层在柱破坏前早就剥落。为了保证在使用荷载下保护层不致剥落，《规范》规定按式（7-6）算得的构件承载力不应比按式（7-2）算得的大50%。

凡属下列情况之一者，不考虑螺旋箍筋的影响而按式（7-2）计算构件的承载力：

（1）当l₀/d>12时，有可能因长细比较大，柱子因丧失稳定而破坏，而使螺旋箍筋不能充分起作用；

（2）当按式（7-6）算得的承载力小于按式（7-2）算得的承载力时；(www.xing528.com)

（3）当螺旋箍筋的换算截面面积A_ss0小于纵向钢筋全部截面面积的25%时，可以认为螺旋箍筋配置得太少，约束作用的效果不明显。

在配有螺旋箍筋的柱中，如在计算中考虑螺旋箍筋的作用时，则螺旋箍筋的间距不应大于80mm及d_cor/5，以便形成较为均匀的约束压力；同时不宜小于40mm，以便保证混凝土的浇筑质量。螺旋箍筋的直径按箍筋有关规定采用。

【例7-2】 已知某公共建筑门厅内底层现浇框架钢筋混凝土柱，承受轴向压力设计值N=2500kN，从基础顶面到二层楼面的高度为5.6m。混凝土用C25（f_c=11.9MPa），纵筋为HRB400（f_y=360MPa），箍筋用HPB300（f_y=270MPa）。柱截面采用圆形，其直径为350mm。试进行该柱配筋计算。

【解】 （1）先按配有纵筋和箍筋柱计算

柱子计算长度按《规范》规定取1.0H，则

l₀=1.0H=1.0×5.6m=5.6m

计算稳定系数φ值，因

l₀/d=5600/350=16

查表7-1得 φ=0.87

圆形柱混凝土截面面积为

由式（7-2）求得

求配筋率

配筋率太高，又因l₀/d>12，不能采用配螺旋箍筋，所以只好提高混凝土强度等级或增大截面尺寸。

（2）假设柱子计算长度l₀=3.92m，其他条件不变，则可按配有纵筋和螺旋筋柱计算

假定纵筋配筋率按ρ′=0.03计算，则

A′_s=0.03A=0.03×96163mm²=2885mm²

选用822，相应的A′_s=3041mm²。混凝土的核芯截面面积为

按式（7-6）

因A_ss0>0.25A′_s（=0.25×3041mm²=760mm²），满足构造要求。

假定螺旋箍筋直径为12mm，则单肢箍筋截面面积A_ss1=113mm²。螺旋箍筋间距

取用s=60mm，s≤0.2d_cor=0.2×300mm=60mm，满足构造要求。

柱的承载力验算：

当按以上配置纵筋和螺旋箍筋后，按式（7-6）计算柱的承载力为：

按式（7-2）计算

l₀/d=3920/350=11.2，φ=0.936

N_u=0.9φ（f_cA+f′_yA′_s）=0.9×0.936×（11.9×96163+360×3041）=1886218N

因1.5×1886689N=2829327N>2604110N，故该柱的承载力N_u=2604110N，满足设计要求。