筑信达李立
梁、柱等构件在ETABS中用框架单元来模拟.框架单元的设计类型则由该框架单元的截面属性决定（即图1左上方，选择“设计类型"）.所以，无论框架单元在模型中处于何种位置（竖直、倾斜、水平等），只要被赋予柱类型的截面，程序均按所选规范进行柱构件的设计.本文将基于ACI318-14规范（以下简称ACI）讨论钢筋混凝土柱设计在ETABS中的实现细节.
1ETABS柱设计的通用准则
1.1设计流程
钢筋混凝土柱在ETABS中的一般设计流程包括：（1）为不同的柱截面分别生成其轴力-双向弯矩相关曲面（即PMM相关面）：弯矩校核其承载能力，并基于此计算所需配筋（或计算给定配筋 （2）在每根柱的两端，分别为来自各个荷载组合下的设计轴力及方案的能力比率）：（3）根据设计剪力和轴力进行斜截面设计.
可以看出，PMM相关面是柱设计的基础，而柱的配筋信息是生成PMM相关面的基础数据之一.所以在定义柱截面时，需要 指定纵筋的数量和直径（见图1）.当柱截面用于设计时，纵筹信息是初始值，程序会自动选代给出最优结果（此时纵筋的分布数量不会变，直径改变）当柱截面用于校核时，纵信息是确定值，由程序判断其承裁力是否满足要求.
图1定义柱截面对话框
1.2柱长度
ETABS 中有两个长度系数来控制柱长度：无支撑长度系数（Unbraced length ratio）、有效长度系数（Effective length factor）.
无支撑长度指柱在的束间的净长度.柱端约束可以是与之相连的梁、刚性隔板束缚、支座等等.程序根据是否有约束来自动判断柱在两个方向上的无支撑长度系数，从面识别柱的实际长度.所以，当模型中出现跨层柱、柱被人为打断、柱在主轴有的束而次轴无的束等情况时，程序仍然能正确判断柱长度.
有效长度系数对应于设计规范中基于稳定概念给出的计算长度系数，程序根据所选择的规范自动计算.
以上长度系数都可以通过设计覆盖项人为调整，见图5第4、5、6、7项.
由上可知，ETABS进行框架设计时，柱的计算长度-柱对象长度（节点间距离）×无支撑长度系数×有效长度系数.
2美标柱设计要点实现
2.1PMM相关面
计算PMM相关面是柱设计的前提，典型的PMM相关面如图2所示.该曲面由若干相关曲线构成，相关曲线上的点对应柱截面的某个受力状态.前提是，柱截面符合平截面假定，且柱截面配筋已知.
程序计算PMM相关面时，考虑相应的ACI规范要求包括：忽略混凝土的抗拉能力、混凝土极限压应变e=0.003（ACI22.2.2.1）、钢筋屈服后应力取为屈服强度zE≤fy（ACI22.2.3.1 20.2.2.1）、计算混凝土受压区等效矩形应力区（ACI22.2.2.4）、 考虑强度折减系数的影响（ACI21.2.2，Table 21.2.2）、考虑最大受压承载力（ACI22.4.2.1，22.4.2.2）等等.
图3计算柱的承载能力比率的几何示意图
图2PMM相关面
图4ETABS输出的相关面
柱的一组设计内力（P，M2，M3）对应PMM空间的一个点L，L与坐标原点O的连线为OL，沿OL方向L点在PMM相关面上的投影点为C.此时，柱的承载能力比率（简称D/C）即线段OL与线段OC的长度比值.若OL-OC，则DiC-1，程序将基于柱两端测站位置处荷载组合下的D/C的结果来计算配筋面积，或校核配筋方案. 代表承裁能力处于临界状态：若OLcOC，则D/COC，则D/C>1，代表承载能力不足.
完成设计后，可以在ETABS中查看柱构件的PMM相关面数据，如图4所示，这里显示了每条PM曲线的相关数据，这些数据可以按设计强度、名义强度、最大可能强度分别计算，也可由纤维模型算得.例如图4右侧，实线为由设计强度（即考虑值）算得的PM曲线，虚线为用纤维模型计算的PM曲线，可以看到强度折减系数对PMM曲面的影响
2.2考虑二阶效应的弯矩调整
对于二阶效应的影响，ACI规定，对因框架侧移产生的P-A效应，柱弯矩按式（1）（ACI6.6.4.6.1）进行调整：对于因构件曲产生的P-6效应，柱弯矩按式（2）（ACI6.6.4.5.2）进行调整.
M = Mns 6 M (1)
式中，下标ns即no sway，下标s即sway，分别指代重力荷载作用和水平荷载作用下的分量.
由于ETABS可以在分析中考虑P-△效应，所以放大系数6默认值为1.放大系数6与参数Cm（ACI6.6.4.5.3）、计算长度系数k有关，C由程序自动计算.k值对于无侧移柱可取为1，而有侧移柱则不小于1.如果在分析中已考虑了P-△效应
柱的有效长度系数可直接取为1，程序的默认值是1.&ns、6、Cm、k都可通过设计覆盖项人为修改（见图4红框中的参数），在输出的设计细节中可查看相应的结果.
此外，柱端弯矩在两个方向上应分别满足最小偏心矩的要求（ACI6.6.4.5.4），程序默认自动执行，用户也可人为取消（即图4第 14项Consider Minimum Eccentricity?选择否”)
定用于二阶效应分析的竖向荷载作用，通常我们根据设计荷载组合中，含有侧向荷载的组合里竖向荷载设计值最大的那组， ETABS通过预设P-A选项来考虑P-效应，如图5所示（命令路径：定义>预设P-Delta选项）.在该对话框中，需要指选择其中的竖向荷载及比例系数.对于美标，一般建议荷载模式取1.2*恒载1.6*活载，这是偏于保守的.
图5混凝土框架柱设计覆盖项
图6预设P-Delta选项对话框
2.3强柱弱梁验算
特殊抗弯框架在含有地震的荷载组合下，柱的抗弯能力应满足下式要求（ACI18.7.3.2）：
若不满足要求将给出警告.如图7是设计细节的输出结果，主轴方向梁柱抗弯承载力比为0.879，满足要求：次轴方向由于没 ∑MM分别为节点处相应柱、梁的名义抗弯强度.程序自动进行以上判断，分别输出柱的主次轴两个方向的结果，有梁与柱相交，故无需计算，该结果也可通过图8所示的命令在视图中显示.
梁柱抗弯承载力比
(6/5)B/C(6/5)B/CColBeam Major Minor Major Col/Beam Minor顺时针 0.879 1.365 N/N逆时针 0.879 0 1.365 N/N
图8显示设计结果
图7设计细节输出
应该注意的是，美标关于“强柱弱梁”的验算是基于实际配筋进行的，并不是单纯地只调整内力.程序也是根据计算配筋来验算梁柱的抗弯承裁力.而且，如果用户在定义截面时输入了实配钢筋，程序将依据输入的实配钢筋来验算强柱弱梁.
2.4设计剪力确定
按此自动计算.用户可通过设计覆盖项修改框架类型（即图4第2项FramingType）. 为了满足不同延性的抗震设计要求，ACI对于不同类型框架，柱设计剪力的取值要求不同.下表总结了相关的规定，ETABS
表1美标框架柱设计剪力取值要求
Special Moment Frames 特殊抗弯框架SMF 中等抗弯框架IMF Intermediate Moment Frames Ordinary Moment Frames 普通抗弯框架取以下两者的小值： 取以下两者的小值： a) 取荷载组合下相应的轴力和根据柱端最大可能抗弯强度 a) 根据柱两端最大名义抗弯强 剪力值计算的剪力值 度计算的剪力值 根据与柱相连的梁端最大名 (q 抗震等级为B及以上且跨高 比（跨度取柱净高）不大于5（q 根据与柱相连的梁端最大可 能抗弯强度计算的剪力值 （q 义抗弯强度计算的剪力值 时，同IMF计算(ACI 18.3.3)且不小于设计荷载组合下的 且不大于按考虑超强系数Q柱剪力 (ACI 18.7.6.1.1) 放大的地震荷载参与的组合中相 应的最大剪力值(ACI 18.4.2.3)
注：表中“最大可能强度”代表钢筋强度按1.25fy取值，强度折减系数取为1：“名义强度”代表钢筋强度按y取值，强度折减系数取为1.
2.5计算抗剪箍筋
程序对抗剪箍筋的计算思路如下.其中，K即设计剪力，V即混凝土部分的抗剪承载力（ACI22.5.6.1，22.5.7.1），Vmax为折减系数可以通过设计首选项人为修改.注意，ETABS不会校核箍筋最小间距、体积配箍率等要求，这部分由工程师自行判断.
If v ≤(v./2)
clseif (v /2)V
截面不满足要求
(ACI 22.5.1.2)
的剪力较大（超过最大剪力需求的一半），且地震组合下的轴力 此外，根据ACI18.7.6.2.1，对于特殊抗弯框架，如果地震作用产生P混凝土框架设计>显示设计信息，在计细节数据，这些结果以表格文档的方式显示，可转化为Word格式保存
图9设计细节
为计算书.操作方式是，在显示设计结果的视窗中，选择某根柱，点击右键，在弹出的对话框中点击细节按钮，即出现如图9所示的对话框.对话框左上方是细节显示内容的选项卡，以下分别对框架柱设计的抗弯细节和抗剪细节进行说明.
3.1抗弯细节
Column Element Details(Flexural Details)
Level Element Unique Name Section ID Combo ID Station Loc Length (in) LLRF TypeStory4 C17 57 COL DCon20 108 144 0.63 Sway Special
该表是柱单元的基本信息，前七项案自模型定义，LLRF（活荷裁折减系数）由程序计算，Type（框架类型）来自设计覆盖项定义.
Section Properties
b (in) h (in) dc (in) Cover (Torsion) (in)2.5688 1
该表是截面尺寸信息，来自截面定义.dc截面边缘到纵筋中心的距离，Cover（Tarsion)
Material Properties
Eo (Ib/in2) f" (Ib/in*) Lt.Wt Factor (Unitless) fy (Ib/in²) (uya).5 4000 1 60000 60000
该表是材料信息，来自材料定义.
Design Code Parameters
cTes csir vs ①w ①vj0.9 0.65 0.75 0.75 0.6 0.85 2
上表是设计规范参数，程序有默认值，可通过设计首选项或观盖项修改.
Axial Force and Biaxial Moment Design For Pu M Mu
Design Pa Design M2 Design Muskip kip-ft kip-ft Minimum M2 kip-ft Minimum M3 kip-ft Rebar Area in* Rebar % %-733.586 -1492.1357 -993.533 97.2001 97.2001 44.169 4.06
上表是正截面设计信息.其中设计弯矩是按本文2.2节调整后的弯矩，即DesignM=&s（Mg&M）.MinimumM即最小弯矩值，对应ACI6.6.4.5.4
Factored & Minimum Biaxial Moments
NonSway Ma Sway M Factored M Minimum Main Minimum Eccentricitykip-ft kip-ft kip-ft kip-ft inMajor Bending(Mus) -33.1845 -960.3485 -993.533 97.2001 1.59Minor Bending(Ma) 18.4973 -1186.7601 -1168.2628 97.2001 1.59
上表是设计弯矩的详细信息.
Axial Force and Biaxial Moment Factors
Cm Factor Factor 6Factor K Factor Effective LengthUnitless Unitless Unitless Unitless inMajor Bend(M3) 0.209302 1 1 1 108Minor Bend(M2) 0.223355 1 1 1 108
上表是正截面设计过程的中间参数，C对应AC16.6.4.5.3，K为计算长度系数.这些参数可通过覆盖项修改.
3.2抗剪细节
抗剪细节的前几张表与抗弯细节一样，也是构件基本信息、截面尺寸信息、材料信息、设计规范参数，不再赞述.
