问题描述:
采用 ETABS 设计混凝土柱截面,柱截面的配筋定义如图 1 所示,截面配筋总面积、角筋面积、中部钢筋面积等设计细节见图 2。
请问,ETABS 如何得到框架柱局部 2 轴、局部 3 轴两个方向的配筋面积?对于边柱,弯矩设计值 M2 与 M3 相差较大时,框架柱能否根据实际内力计算局部 2 轴和 3 轴方向的钢筋面积?
图 1. 柱截面配筋定义
图 2. 柱截面设计细节及承载比
解答:
混凝土柱主要承受轴力(P)和双向弯矩(M2、M3)作用。在设计中,ETABS 必须基于截面尺寸及布筋形式构建一个三维的 P-M2-M3 曲面球,即柱子正截面承载力包络图。柱的承载力包络图不仅取决于钢筋的面积,更取决于钢筋在截面上的分布位置。
ETABS 需要获取用户指定的截面钢筋布置形式,即局部 2 轴、3 轴方向上的钢筋位置、数量、角筋和非角筋面积的比值,程序内部会自动缩放“钢筋直径”,直到计算出的 P-M2-M3 曲面球能包裹住所有荷载组合内力点,最后给出满足承载力需求的配筋面积。
从图 2 可知,柱截面总配筋面积为 6929mm2,角筋面积 535mm2,中部钢筋面积 342mm2。从图 3 验算过程可知,ETABS 在保持柱截面局部 2、3 轴方向钢筋数量不变的前提下,且保证角筋与中部钢筋面积比值不变,自动调整钢筋直径,设计出满足承载力需求的配筋面积。
图 3. 配筋验算及钢筋参数
从前文配筋设计过程可知,ETABS 是“基于给定布筋方案的验算型设计”,而非“自由优化型设计”。另一个问题是 ETABS 计算出的钢筋面积没有合适公称直径的钢筋对应,当柱两个方向设计弯矩相差很大时,工程师无法提前预估柱截面 2、3 方向钢筋的布置形式,给设计带来繁琐和一定难度。
推荐使用 CiSDesigner 读取 ETABS 模型中柱的设计内力,并自动考虑附加偏心距、二阶效应等。用户指定布筋偏好,CiSDesigner 自动生成多种满足规范要求的配筋方案并进行承载比计算,默认输出 10 个优选方案,如图 4 所示。

图 4. CiSDesigner 配筋方案及设计报告
借助 CiSDesigner 读取 ETABS 模型中框架的设计内力,得到的配筋方案不仅满足承载力要求,对应的钢筋总面积更小,并且给出配筋方案的种类多、效率更高。关于 CiSDesigner 的更多内容,请参考以下文章:CiSDesigner接力SAP2000在复杂工业建筑中的应用。