孙鹏
南宁市建筑设计研究院有限公司，广西 南宁 530002
摘要：本文简要阐述了柱的各种受力情况及相应的承载力计算公式，在数据分析的基础上，对《混凝土结构设计规范》GB50010-2010(2015年版)中两种不同的双向偏心受压承力计算方法所得的纵向钢筋总配筋量进行比较，并得出相关结论。
关键词：框架柱、单向偏心受压、双向偏心受压
前言
框架柱是常见的受压构件，一般情况下，其主要承受偏心荷载，根据框架柱承受的偏心荷载的位置，又可分为单向偏心受压柱和双向偏心受压柱。对于双向偏心受压柱，工程设计上，常采用以下两种设计方法：（1）采用单向偏心受压计算公式进行承载力计算并配筋，再根据实配钢筋进行双向偏心受压承载力复核；（2）采用双向偏心受压计算公式进行承载力计算并配筋。在平时的房屋建筑工程设计或施工图优化过程中，常听见一种说法，即前面提到的第2种设计方法与第1种设计方法相比，框架柱纵筋配筋量会较大，不经济，实际情况是否真如此？接下来，本文将从框架柱偏心受压的基本计算原理出发，通过具体工程数据分析，最终得出结论。
1 框架柱单、双向偏心受压计算原理
当框架柱截面同时承受轴心压力(N)和弯矩(M)的共同作用或单独承受偏心压力(N)的作用时，称之为偏心受压柱。按偏心力在柱截面的不同位置，又可分为单向偏心受压柱(图1 a)和双向偏心受压柱(图1b) [1]。
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图1 偏心受压柱的力的作用位置
1.1 框架柱单向偏心受压计算
(1)根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010(2015年版)6.2.17条 矩形截面单向偏受压钢筋混凝土构件，其正截面受压承载力按如下公式计算(公式中符号的含义详见规范) [2]：
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图2 矩形截面单向偏受压构件正截面受压承载力计算(1为截面重心轴)
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(2)根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010(2015年版)6.2.19条 沿截面腹部均匀配置纵向钢筋的矩形截面单向偏受压钢筋混凝土构件，其正截面受压承载力按如下公式计算(公式中符号的含义详见规范) [2]：
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1.2框架柱双向偏心受压计算
(1)根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010(2015年版)6.2.21条2款 矩形截面双向偏受压钢筋混凝土构件，其正截面受压承载力按如下近似公式计算(公式中符号的含义详见规范) [2]：
(9)
其中，Nu０为构件的轴心受压承载力设计值，按规范公式(6.2.15)计算；Nux及Nuy按本文(1)式或(5)式计算所得。
公式(9)即为前言中所说设计方法：（1）采用单向偏心受压计算公式进行承载力计算并配筋，再根据实配钢筋进行双向偏心受压承载力复核。
(2)根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010(2015年版)6.2.21条1款及附录E.0.1条 矩形截面双向偏受压钢筋混凝土构件，其正截面受压承载力按如下公式计算(公式中符号的含义详见规范) [2]：
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图3 矩形截面双向偏受压构件截面 (1为轴向压力作用点；2为受压区)
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公式(10～14)即为前言中所说设计方法：（2）采用双向偏心受压计算公式进行承载力计算并配筋。
2 框架柱单、双向偏心受压计算具体工程应用分析
对于何种情况下框架柱应按双向偏心受力构件计算，何种情况下框架柱可按单向偏心受力构件计算，相关规范及文献已作出规定，具体如下：
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第6.2.4条： 抗震设计时，框架角柱应按双向偏心受力构件进行正截面承载力设计[3]。
《混凝土异形柱结构技术规程》JGJ149-2017第5章，异形柱应按双向偏心受力构件进行正截面承载力设计[4]。
朱炳寅《建筑结构设计问答及分析》[5]：
（1）当结构的扭转较大(一般情况下，可把不考虑结构偶然偏心时计算所得的楼层扭转位移比μ＞1.2确定为结构受到的扭转较大)，框架柱以双向受力为主时，柱配筋按下列两种方法计算，并取大值：
1）考虑偶然偏心的地震作用（不考虑双向地震作用），按双向偏心受压方法计算柱配筋；
2）考虑双向地震作用（不考虑偶然偏心的地震作用），按单向偏心受压方法计算柱配筋。
（2）当结构的扭转较小，框架柱以单向受力为主时，可按单向偏心受压计算。
PKPM V4.3.4对角柱及异型柱，强制采用双偏压进行计算。
为验证前言中提到的第1种设计方法与第2种设计方法计算配筋量的差异，本文分别利用PKPM V4.3.4、YJKS2.0.0及理正结构工具箱7.5对两个工程事例中的部分框架柱的计算配筋进行对比分析。其中编号1～3框架柱为PKPM V4.3.4及理正结构工具箱7.5的计算结果，编号4～5框架柱为YJKS2.0.0及理正结构工具箱7.5的计算结果。
表1 框架柱截面、内力、混凝土及钢筋级别
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表2 框架柱不同计算软件及不同计算方法下的柱计算配筋
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由表2可以看出，编号1、5框架柱x、y向单偏压计算面积之和与双偏压计算面积之和相差不大，单偏压计算面积之和略大；编号2～4框架柱x、y向单偏压计算面积均大于双偏压计算面积；编号1～5中采用理正结构工具箱7.5，先单偏压计算再双偏压复核的柱配筋计算结果，均大于采用PKPM或YJK计算的双偏压计算面积。综上分析可知：双向偏心受压作用下的框架柱，采用单向偏心受压计算公式进行承载力计算并配筋，再根据实配钢筋进行双向偏心受压承载力复核的柱纵向钢筋总配筋量，大于采用双向偏心受压计算公式进行承载力计算并配筋的柱纵向钢筋总配筋量。
3 总结：
框架柱的受力情况可分为轴心受压、单向偏心受压与双向偏心受压，其承载力计算方法亦可分为轴心受压承载力计算、单向偏心受压承载力计算及双向偏心受压承载力计算。对于双向偏心受压柱，采用单向偏心受压承载力计算公式配筋，再按实配纵向钢筋面积进行双向偏心受压承载力复核的柱纵向钢筋总配筋量，大于采用双向偏心受压承载力计算公式配筋的柱纵向钢筋总配筋量。
参考文献：
[1] 沈蒲生，梁兴文. 混凝土结构设计原理(第3版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007.
[2]GB 5001-2010(2015年版) 混凝土结构设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015.
[3] JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.
[4] JGJ 149-2017混凝土异形柱结构技术规程[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2017.
[5] 朱炳寅. 建筑结构设计问答及分板[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009.