轴压比到底是什么？轴压比相关规范规定

轴压比到底是什么？-与王大师笑谈于土木之江湖

最近，咱们专业微信群中，有同志讨论关于钢结构设计中有无混凝土结构经常关注的轴压比概念：

有同志提到在《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99-2015（以下简称《高钢规》）的第7.3.4条有规定，但未明确为轴压比的定义。

还有同志提到王大师曾在2020年提到过轴压比的概念，于是拜来学习：）

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可能境遇不太一样，但轴压比在我心目中一直是太熟悉家常菜的味道，接着往下看：

其实说到延性，不得不先谈谈材料的延性，传统混凝土材料由于受压超过峰值强度后，承载性能随应变发展急剧下降，无充分的变形性能因而其延性较差；当承受往复加卸荷时，其性能会更差。所以混凝土结构中的受压柱或墙，当一般荷载下（或有地震作用组合时）的轴压力较大时，其已有应变更接近峰值应变，当有超出预期的其他作用或内力组合时，混凝土外缘纤维很容易进入强度下降段，造成不期望的构件或结构破坏甚至倒塌。所以对于高轴压比的受压构件，我们须通过约束混凝土的概念来辅助增加其延性，即通过合理配置横向钢筋约束混凝土后期的横向胀裂变形，来达到加大其极限受压应变的目的。工程中为方便起见，有时用到钢管约束混凝土结构（注意不是钢管混凝土结构）。这些由材料延性带来的不同构件的延性（梁、柱、墙）、不同破坏形态的延性（受弯超筋、受弯少筋、受剪斜压、受剪斜拉）、不同结构体系或形式的延性（混凝土结构、钢结构、框架结构、剪力墙结构等）均可追溯到材料延性的层面；甚至同一类材料，不同强度时带来的延性差异（低强度混凝土、高强度混凝土、低强度钢材、高强度钢材）。

上述曲线在钢筋混凝土偏压构件中，常称为Nu-Mu关系曲线，是给定截面及配筋的柱，在不同的竖向压力及弯矩组合下发生破坏时，极限内力对的连线。对于一般截面，在右侧的外缘凸点为界限破坏点（此结论不包括所有截面），截面承担的弯矩最大。在B点以下为大偏压破坏，为受拉侧纵筋先屈服而后受压侧混凝土压碎；B点以上为受压侧混凝土压碎，而远离竖向力一侧的纵筋未见受拉屈服，即无法出现明显的横向裂缝开展、受拉转角及侧移变形。

根据混凝土结构的基本原理，对于偏压构件能否发生有延性的大偏压破坏，除了和杆端内力的特征有关外，还与柱截面的配筋方式有关。当柱为对称配筋时，对于一定范围的小偏心距下的内力，只有可能发生小偏压破坏（如相对偏心距e ₀ /h<0.3）；但如果偏心距允许能设计成大偏压或界限破坏时，我们优先设计成大偏压破坏。

关于混凝土结构中，轴压比的定义，大师提出了“临界轴压比”的概念，即混凝土发生界限破坏时的轴压比。将其与界限相对受压区高度 ξ _b 发生关联：

根据不同轴压比偏压柱的试验曲线，得出高轴压比的滞回环能量耗散面积较低，侧移发生不充分；随轴压比愈来愈大，变形能力越来越低的结论：

对于“中心受压时几乎没有什么延性”，疑似是，对于轴压比较高时，几乎没有什么延性。

对于大师的结论，个人觉得，中心受压柱或小偏心距受压柱为天性使然，我们设计师都是喜欢将荷载放在承力构件正中间，没有为了达到大偏压的目的而专门设计成一个带偏心的柱子。这种情况下为了防止偶然状况下的弯矩（使混凝土外缘纤维受压应变再增长）带来的小偏压构件延性降低，我们控制了即使偏心距很小时，柱子的轴压比限值，即是将其留出足够的应变裕量。或者通过提高柱子的体积配箍率或剪力墙边缘构件箍筋配箍率来使受压混凝土受到足够约束，来提高混凝土的极限压应变。

对于大师所提的一阶分析留下的误解，主要是二阶效应的发生，对于给定截面柱承受较大弯矩“轴压力就要降低”的后果有没有可能发生，其实是允许二阶效应后其发生承载力降低的。主要因为结构系统很少是静定结构，而是超静定的所在，当一个构件出现破坏时，他预期承受的内力可能转移到其他构件或节点上去，或者其内力发生与其性能匹配的塑性变化。这也使得混凝土结构研究者热衷于受压破坏时后期下降段真实试验曲线的获得，也是考虑超静定结构中某一构件发生破坏后其后期承载力的真实反映。为数值模拟分析及其他被转移增大内力的构件的分析提供本构数据。

因此，地震作用下钢筋混凝土中长柱的压弯破坏，在截面层面是考虑挠曲或侧移二阶效应后的截面强度破坏；但对于构件和结构层面，则仍反映为构件或结构的二阶效应。对于延性的考虑，一般是对超出预期的罕遇地震（甚至是中震可修目标）的应对，而延性本质，对于截面仍是截面（曲率）层面的（应变）强度问题，对于结构才是变形能力层面的问题，强度与刚度的概念、强度与延性的概念均属统一。

对于钢结构的轴压比概念，大师在文中并未提及。但《高钢规》中此轴压比的规定，是为强度考虑还是为延性考虑？

钢结构，在规范允许的大震变形范围内，至少不存在材料性能的延性问题（焊缝除外），受拉受压均如此。但钢结构或构件层面，显著的稳定问题类似于混凝土材料在强度层面的受压脆性特征，即失稳后变形急剧加大，时间急促，无法让人及时反应。这样看来，《高钢规》中轴压比的规定，也是出于稳定问题带来的延性考虑，即在构件可能的缺陷或超出预期的水平侧移情况下，为防止发生无法收敛的二阶效应致使截面强度破坏，进而导致构件失稳，预先控制其轴压比（一般应变），然后预留足够的非稳定应变空间。

这样看来，混凝土与钢结构均存在与延性相关的轴压比控制问题，两者都是控制截面的外缘极限压应变，进而控制其截面强度。只不过后者需结合构件层面扩展到稳定问题带来的延性。

关于国外规范是否提到轴压比的概念，下图是ACI 318-19中的一些条款，大家可以自己理解下。

《建筑抗震设计规范》GBJ-11-89、GB50011-2001和GB50011-2010中均涉及到轴压比相关规定，上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2013，广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ 15-92-2013、DBJ/T 15-92-2021等地方标准中也有轴压比相关规定，且与“抗规”规定存在部分差异。要对轴压比有比较清晰的认识，需要首先正确理解相关规范规定。

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《建筑抗震设计规范》GBJ-11-89轴压比相关规定

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《建筑抗震设计规范》GB50011-2001轴压比相关规定

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《建筑抗震设计规范》GB50011-2010轴压比相关规定

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中轴压比相关规定相比GBJ-11-89和GB50011-2001丰富了很多：

6.2.10 部分框支抗震墙结构的框支柱尚应满足下列要求：

2 一、二级框支柱由地震作用引起的附加轴力应分别乘以增大系数1.5、1.2；计算轴压比时，该附加轴力可不乘以增大系数。

6.3.6 柱轴压比不宜超过表6.3.6的规定；建造于Ⅳ类场地且较高的高层建筑，柱轴压比限值应适当减小。

注：1轴压比指柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值；对本规范规定不进行地震作用计算的结构，可取无地震作用组合的轴力设计值计算；

2表内限值适用于剪跨比大于2、混凝土强度等级不高于C60的柱；剪跨比不大于2的柱，轴压比限值应降低0.05；剪跨比小于1.5的柱，轴压比限值应专门研究并采取特殊构造措施；

3沿柱全高采用井字复合箍且箍筋肢距不大于200mm、间距不大于100mm、直径不小于12mm，或沿柱全高采用复合螺旋箍、螺旋间距不大于100mm、箍筋肢距不大于200mm、直径不小于12mm，或沿柱全高采用连续复合矩形螺旋箍、螺旋净距不大于80mm、箍筋肢距不大于200mm、直径不小于10mm，轴压比限值均可增加0.10；上述三种箍筋的最小配箍特征值均应按增大的轴压比由本规范表6.3.9确定；

4在柱的截面中部附加芯柱，其中另加的纵向钢筋的总面积不少于柱截面面积的0.8％，轴压比限值可增加0.05；此项措施与注3的措施共同采用时，轴压比限值可增加0.15，但箍筋的体积配箍率仍可按轴压比增加0.10的要求确定；

5 柱轴压比不应大于1.05。

6.4.2 一、二、三级抗震墙在重力荷载代表值作用下墙肢的轴压比，一级时，9度不宜大于0.4，7、8度不宜大于0.5；二、三级时不宜大于0.6。

注：墙肢轴压比指墙的轴压力设计值与墙的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值。

6.4.5 抗震墙两端和洞口两侧应设置边缘构件，边缘构件包括暗柱、端柱和翼墙，并应符合下列要求：

1 对于抗震墙结构，底层墙肢底截面的轴压比不大于表6.4.5-1规定

7 . 5 . 6 底部框架-抗震墙砌体房屋的框架柱应符合下列要求：

2 柱的轴压比，6度时不宜大于0.85，7度时不宜大于0.75，8度时不宜大于0.65。

9 . 1 . 21 大柱网厂房柱的截面和配筋构造，应符合下列要求：

2 重屋盖厂房地震组合的柱轴压比，6、7度时不宜大于0.8，8度时不宜大于0.7，9度时不应大于0.6。

9 . 2 . 13 厂房框架柱的长细比，轴压比小于0.2时不宜大于150；轴压比不小于0.2时，不宜大于

。

B.0.3 高强混凝土框架的抗震构造措施，应符合下列要求：

2 柱的轴压比限值宜按下列规定采用：不超过C60混凝土的柱可与普通混凝土柱相同，C65～C70混凝土的柱宜比普通混凝土柱减小0.05，C75～C80混凝土的柱宜比普通混凝土柱减小0.1。

4 柱加密区的最小配箍特征值宜按下列规定采用；混凝土强度等级高于C60时，箍筋宜采用复合箍、复合螺旋箍或连续复合矩形螺旋箍。

1)轴压比不大于0.6时，宜比普通混凝土柱大0.02；

2)轴压比大于0.6时，宜比普通混凝土柱大0.03。

C . 0 . 7 预应力混凝土结构的抗震构造，除下列规定外，应符合本规范第6章对钢筋混凝土结构的要求：

3 预应力混凝土框架柱可采用非对称配筋方式；其轴压比计算，应计入预应力筋的总有效预加力形成的轴向压力设计值，并符合钢筋混凝土结构中对应框架柱的要求；箍筋宜全高加密。

F . 3 . 4 配筋混凝土小型空心砌块抗震墙在重力荷载代表值作用下的轴压比，应符合下列要求：

1 一般墙体的底部加强部位，一级(9度)不宜大于0.4，一级(8度)不宜大于0.5，二、三级不宜大于0.6；一般部位，均不宜大于0.6。

2 短肢墙体全高范围，一级不宜大于0.50，二、三级不宜大于0.60；对于无翼缘的一字形短肢墙，其轴压比限值应相应降低0.1。

3 各向墙肢截面均为3b＜h＜5b的独立小墙肢，一级不宜大于0.4，二、三级不宜大于0.5；对于无翼缘的一字形独立小墙肢，其轴压比限值应相应降低0.1。

F . 3 . 5 配筋混凝土小型空心砌块抗震墙墙肢端部应设置边缘构件；底部加强部位的轴压比，一级大于0.2和二级大于0.3时，应设置约束边缘构件。

H . 1 . 6 竖向框排架厂房的地震作用效应调整和抗震验算，应符合下列规定：

3 顶层排架设置纵向柱间支撑时，与柱间支撑相连排架柱的下部框架柱，一、

二级框架柱由地震引起的附加轴力应分别乘以调整系数1.5、1.2；计算轴压比时，附加轴力可不乘以调整系数。

H . 1 . 7 竖向框排架厂房的基本抗震构造措施尚应符合下列要求：

1 支承贮仓的框架柱轴压比不宜超过本规范表6.3.6中框架结构的规定数值减少0.05。

H . 2 . 8 多层钢结构厂房的基本抗震构造措施，尚应符合下列规定：

1 框架柱的长细比不宜大于150；当轴压比大于0.2时，不宜大于

。

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其他标准中轴压比相关规定

《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010、《高层建筑混凝土结构技术规程》 JGJ 3-2010以及上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2013中轴压比相关规定与《建筑抗震设计规范》GB50011-2010保持一致。

广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ 15-92-2013中规定：

6.4.2 抗震设计时，钢筋混凝土柱轴压比不宜超过表6.4.2的规定；对于Ⅳ类场地上较高的高层建筑，其轴压比限值应适当减小。

注：1 轴压比指柱考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值。

广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ/T 15-92-2021中规定：

6.4.2 钢筋混凝土框架柱的轴压比不宜超过表6.4.2的规定；对于Ⅳ类场地上较高的高层建筑，其轴压比限值宜适当减小。

注：1 轴压比指重力荷载代表值作用下柱的轴压应力设计值与柱混凝土轴心抗压强度设计值的比值。

6 当柱截面中心设置型钢，且型钢截面面积不小于柱截面面积的3%时，柱轴压比限值可增加0.05。当框架柱内的型钢仅考虑其对轴压比的贡献，并按钢筋混凝土柱的轴压比限值时，型钢含钢率可适当降低，但不应低于1%。

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总结

本期文章对不同时期《建筑抗震设计规范》以及其他国家和部分地方标准中轴压比相关规定进行了总结，可以看出：

1) 从“89抗规”开始给出了框架柱轴压比限值相关规定，并在“01抗规”和“10抗规”中逐渐丰富了相关内容；

2) “01抗规”相比“89抗规”增加了框架-剪力墙结构中框架柱的轴压比限值，并因其二道防线的次要作用相比框架结构的柱轴压比有所放松，同时给出了轴压比限值与箍筋的关系；“10抗规”相比“01抗规”增加了抗震等级四的柱轴压比限值，并对框架结构中的柱和框架-剪力墙结构中抗震等级三的柱轴压比限值增加0.05，进行了从严控制；“10抗规”中，轴压比已成为一个基本概念，体现在众多规范条文中，除了柱、墙肢、边缘构件轴压比相关限值外，还会影响箍筋配置、长细比等相关规定；

3) 《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010、《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010、上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2013以及广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ 15-92-2013中轴压比相关规定与《建筑抗震设计规范》GB50011-2010保持一致；广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ/T 15-92-2021中的轴压比只考虑重力荷载代表值作用，不考虑地震作用组合，且对轴压比限值有所放宽。