第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 柱双偏压配筋与PKPM程序应用 夏绪勇 （中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司PKP设计软件事业部，北京10013） 摘要：柱的单、双偏压配筋设计方法及柱配设计结果的差异，一直是设计人员比较困惑的问题.
针对该问题 系统介绍了柱单、双偏压配筋设计方法差异及二者的适应性进行对比分析说明，结合PKPM软件配筋的设计实现， 介绍双偏压配筋设计在结构设计软件中应用，给设计人员应用软件提供参考.
关键词：钢筋混凝土柱、双偏压，配筋设计，PKPM 1前言 柱的双偏压配筋设计从02版《混凝土结构设计规范》提出，已经历比较长的工程设计实践应用，但 是对于柱单、双偏压设计方法计算前提、设计原理及适用条件，很多设计人员还是感觉比较困惑.
本文 通过单、双偏压设计技术条件的对比，在不同条件下设计结果的差异对比，说明柱单、双偏压计算假定 与配筋设计适用前提.
在PKPM程序中，设计参数中提供了单、双偏压的设计选项，对于角柱或异形截面柱，程序自动采用 双偏压配筋设计，在前面自动设计流程中，如果选择的是单偏压设计，施工图软件中还提供了根据最终 实配钢筋的双偏压校核功能，这些功能如何结合起来应用，本文也做了较详细的介绍.
双偏压配筋设计具有解不唯一性，如何在多解的情况下，获得相对比较合理的设计结果，本文结合 PKPM中柱双偏压设计程序实践，对双偏压调整配筋设计流程也加以介绍.
2柱单、双偏压计算前提与适用条件 2.1柱受力状态与单、双偏压设计 [al) 轴心受力 (b)单向偏压 (c双向偏压 图1柱受力状态 作者箕介：夏绪勇（1976.10），男，硕土，副研究员
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 柱轴压力作用下，根据是否存在偏心，区分轴心受力（如图1（a））与偏心受力，偏心受力又区分 为单向偏心（如图1（b））与双向偏心（如图1（c））.混凝结构柱因为有制作误差等的影响，理想的 轴心受力状态基本是不存在的.
当一个方向弯矩相对另一个方向弯矩小到可以忽略不计，可以视为单向 偏心受力，多数排架结构柱处于单偏压状态.
如果两个方向的弯矩均不容忽略，则柱处于双向偏心受力 状态，框架结构柱多数处于双偏压状态.
矩形截面柱按单向偏心受力构件计算配筋，计算方法简单，可以手工计算，是传统的柱子配筋方法.
种特例，因此按双向偏心受力构件计算配筋是柱子配筋的通用方法，适用于柱子的各种受力情况.
“ 2.2柱单、双偏压设计结果的差异比较 柱自身在不同受力状态下，采用单、双偏压配筋设计，会带来不同的结果差异，下面通过一个算例 来加以比较.
算例：柱1、柱2的几何信息相同，截面尺寸b×h=600mm×600mm，计算长度1=4.125m，混凝土强 度等级C40，保护层厚度20mm，采用HRB335级钢筋.
柱1为角柱，在恒、活荷载下就有较大的双向弯矩， 同一组合中双向弯矩都比较大：柱2为对称结构的中柱，在恒、活荷载作用下梁端负弯矩相互抵消，恒、 活弯矩非常小，柱端弯矩主要由风或地震作用产生，在不考虑双向地震作用前提下，风和地震都是分方 向单向作用，所以同一组合中，只有一个方向弯矩较大，另一个方向弯矩相对较小.
表1中列出了柱1、 柱2相对形心主轴的典型组合下的控制内力.
柱1、柱2分别采用单双偏压进行配筋设计，配筋设计结果见表2.
表1柱组合内力表（典型部分） 柱1（角柱） 柱2（中柱） 组合号 N[kN] M (kN.m) M (kN.m) N[kN] M (kN.m) M (kN.m) 1. 3580. 37 282. 12 282. 12 4547. 23 90.94 90.94 2. 1582. 54 314. 08 213. 96 3581. 18 287. 36 71.62 3. 2518. 51 234. 44 576. 17 3581. 18 71.62 287. 36 4. 2518. 51 576. 17 234. 44 2543. 23 808 66 50. 86 5. 2934. 26 279 40 621. 13 2543. 23 50.86 808. 66 6. 2934. 26 621.13 279. 4 2543. 23 912. 21 50.86 7. 2575. 02 624. 27 235. 68 3051. 87 922. 38 61. 04 8. 2575. 02 235. 68 624. 27 3051. 87 61.04 922. 38 9. 2990. 77 280. 64 669. 23 2543. 23 50. 86 912.21 10. 2535.88 210. 06 112. 43 3051. 87 922. 38 61. 04 表2柱单、双偏压配筋结果对比 单偏压 双偏压 单双编压 A_(mm²) A (mm²) A(mm²) A_(mm²) p 差异比 柱1 1064 1064 0.90% 1431 1431 1.31% -31.3% 柱2 2792 2792 2.82% 2220 2220 2.18% 29.4% 从上面算例可以看出，当柱同一组合中双向弯矩都比较大时，单偏压配筋结果会较双偏压小，如果
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 组合中，都是单向弯矩大，这时双偏压配筋考虑双向钢筋作用，配筋反而减小.
2.3柱单、双偏压设计适用条件 当柱各组内力，都是当某一方向弯矩较大时，另一方向弯矩相对比较小（如上例中的柱2），这咖 果选择单偏压设计，由于每边配筋设计都取对应边最不利荷载组合求出钢筋面积，面两个方向计算钢筋 面积的控制最不利荷载组合不可能同时发生，再加上计算某一对边钢筋面积时，未考虑另一对边上的钢 筋起的作用，这时的配筋结果一般是偏于安全的.
但是当柱两个方向的弯矩都比较大时（如上例中的柱1），如果还是按单向偏心受力构件计算每一个 对边，这种设计方法是一种简化设计方法，实际他们是不等效的，两个方向弯矩都分别对应全部的轴压 力作用计算，相当于轴压力重复计入，通常偏压情况下轴压力对钢筋的受拉会有抵消作用，这样设计的 结果会比直接按双偏压设计结果偏小.
图2双偏压简化为两个单偏压配筋设计 如上所述，柱如果同时存在双向弯矩都较大情况，不适合直接采用单偏压配筋结果进行配筋设计， 这时一般可以采用下面措施： 1）按单偏压设计，补充双偏压校核，不满足时加大钢筋面积： 2)直接按双偏压设计.
3PKPM中柱配筋设计应用 3.1柱配筋设计参数与程序约定 PKPM的结构分析设计程序（SATWE、PMSAP、TAT）中都提供了柱按单、双偏压配筋设计的参数选择 （见图3示）.
M'2010 CRERLAN MCAD SATWE KIPETO F" MSAP sRse: SAPS stta SATWES4 sans - IVL XCAD PAAD SATWE-4 图3柱单、双偏压配筋选择（以SATVE为例） 图4设置双偏压配筋最大角筋直径（对SATWE、PMISAP均有效）
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 PKPM对柱单、双偏压设计约定如下： 开始 1）当参数中选择“按双偏压计算”时，将对混凝 土配筋设计采用双偏压设计： 根据构造要求、单偏 压结果确定初始配前 2）对定义为角柱的柱，始终采用双偏压设计，与 单、双偏压参数选择无关： 组合数Nb，对组合进行 重新排序，Mk、My弯矩差异 3）对异形截面柱（如L形、T形等），始终采用双 小的排前面，优先配籍 偏压设计： 4）对型钢混凝土柱，始终采用单偏压设计.
当前组合号tb0 PKPM程序中还提供了干预双偏压角筋的参数设置（如图 4示），防止程序中自动双偏压配筋设计中角筋过大问题.
当前组合号lb-lib1 3.2柱双偏压合理配筋设计方法 双偏压配筋设计具有解不唯一性，当承载力不满足时， 提高任意方向钢筋面积，都可以起到提高承载力的目的.
如 校核当前组合、当前配筋下 何在多解的情况下，获得相对比较合理的设计结果，这就涉 的承载力 及到双偏压优化配筋问题.
是 图5为PKPM双偏压配筋设计流程，为了确保双偏压配 承载力满足？
调控配肪 筋的合理性，在上述流程中下面几点最为关键： 1综合考虑构造配筋与单偏压的配筋结果，确定两个 是 方向的初始钢筋： 2）对柱组合内力预先排序，先按两个方向弯矩差 Ib<Nb 异小的组合调整配筋，防止首先设计单方向弯矩大 的组合，导致配筋结果畸形： 3）当承载力不满足时，对两个方向钢筋预调整，判断 记录最终配筋结果 哪个方向增加钢筋对承载力提高更有效，这时优先 提高有效侧的配筋面积. 结束 图6为同一工程采用不同双偏压设计流程设计出来的不 同结果，二者设计结果双偏压都是满足要求的，但是两个方 图5双偏压配筋设计流程 向的配筋结果却有很大差异，配筋结果1是按上述流程的 PKPM2010新规范版软件的配筋结果，与柱相连的梁跨较大的主受力方向柱配筋较大（26cm²），而与小 跨方向柱受力较小，配筋也较小（12cm²），配筋结果与受力结果是一致的，配筋结果2是另一款软件的 配筋设计结果，柱主受力方向配筋小，而次受力方向配筋大，配筋大小与主受力方向相反，从而导致全 截面配筋率也明显增加. 从上面的比较可以看出，不同的配筋设计流程，会带来不同的双偏压配筋结果. 双偏压优化配筋设计，需要有一个合理的设计流程. .001 yL004 (0.20 d (1.28) ...r （a）配筋结果1 （b）配筋结果2 图6双偏压不同配筋设计结果 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 3.3柱单偏压配筋双偏压校核设计 因为单偏压设计方法简单，可以手工计算，属于传统的柱子配筋方法，很多设计人员习惯采用单偏 压配筋设计. 根据前面的讨论，单偏压结果在有些情况下可能是不安全的，因此需要根据实配钢筋进行 双偏压校核. PKPM混凝土施工图程序，提供了根据实配钢筋，采用三维分析柱全部组合内力进行双偏压校核的功 能（如图7示），当双偏压校核不满足时，可以手工增加实配钢筋，重新进行校核，直到满足要求. 通过 这种方式可以有效的杜绝单偏压设计在某些情况下配筋存在不安全隐忠问题. 图7PAAD模块根据实配双偏压校核配筋 4小结 通过前面的介绍，对于柱单、双偏压配筋设计小结如下： 1）单偏压是双偏压的特殊状态，双偏压配筋设计方法是柱配筋设计的通用方法： 2）单向偏心受力构件计算配筋，是传统的柱子配筋方法，计算方法简单，对于分组合都是单向偏 心为主的柱构件配筋设计，采用单偏压配筋方法是相对保守的设计方法，可以满足安全性要求，但是当 柱同一组合中双向弯矩都比较大时，单偏压配筋设计结果是不安全的，需要按双偏压设计或者在单偏压 设计基础上进行双偏压校核并调整配筋： 3）双偏压结果不具唯一性，采用合理的配筋设计流程，优化两个方向的配筋设计是关键，PKPM当 前配筋流程能保证相对合理的配筋设计结果，同时还在进一步研究更加合理的双偏压配筋选代优化方法， 将在新版软件中采用. 参考文献 [1]钢筋混凝土构件设计原理及算例.北京：中国建筑工业出版社，2005
