高層建筑抗震設計中短柱問題-處理

1、高層建筑抗震設計中短柱問題-處理            摘要：建筑抗震設計對結構構件有明確的延性要求。軸壓比和剪跨比是影響構件延性的最主要的兩個因素，也是一對互成矛盾的因素。 關鍵詞：高層 抗震 短柱  0 引 言在層高一定的情況下，為提高延性而降低軸壓比則會導致柱截面增大，且軸壓比越小截面越大；而截面增大導致剪跨比減小，又降低了構件的延性。因此，在高層特別是超高層建筑結構設計中，為滿足規(guī)程對軸壓比限值的要求，柱子的截面往往比較大，在結構底部常常形成短柱甚至超短柱。

2、另外，諸如圖書館的書庫、層高較低的儲藏室、高層建筑的地下車庫等由于使用荷載大，層高較低，在設計中也不可避免地會出現(xiàn)短柱。眾所周知，短柱的延性很差，尤其是超短柱幾乎沒有延性，在建筑遭受本地區(qū)設防烈度或高于本地區(qū)設防烈度的地震影響時，很容易發(fā)生剪切破壞而造成結構破壞甚至倒塌，無法滿足“中震可修，大震不倒”的設計準則。為了避免短柱脆性破壞問題在高層建筑中發(fā)生，筆者認為，首先要正確判定短柱，然后對短柱采取一些構造措施或處理，提高短柱的延性和抗震性能。1 短柱的正確判定規(guī)程和規(guī)范都規(guī)定，柱凈高與截面高度之比為短柱，工程界許多工程技術人員也都據(jù)此來判定短柱，這是一個值得注意的問題。因為確定是不是短柱的參數(shù)

3、是柱的剪跨比，只有剪跨比的柱才是短柱，而柱凈高與截面高度之比的柱其剪跨比不一定小于，亦即不一定是短柱。按來判定的主要依據(jù)是：；考慮到框架柱反彎點大都靠近柱中點，取.，則.，由此即得。但是，對于高層建筑，梁、柱線剛度比較小，特別是底部幾層，由于受柱底嵌固的影響且梁對柱的約束彎矩較小，反彎點的高度會比柱高的一半高得多，甚至不出現(xiàn)反彎點，此時不宜按來判定短柱，而應按短柱的力學定義-剪跨比來判定才是正確的?？蚣苤姆磸濣c不在柱中點時，柱子上、下端截面的彎矩值大小就不一樣，即。因此，框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一樣的，即。此時，應采用哪一個截面的剪跨比來判斷框架柱是不是屬于短柱呢？筆者認為，應該

4、采用框架柱上、下端截面中剪跨比的較大值，即取（，）。其理由如下：框架柱的受力情況有如一根受有定值軸壓力的連續(xù)梁，柱高相當于連續(xù)梁的剪跨，已有的試驗研究結果表明：對于剪跨不變的連續(xù)梁，當截面上、下配置的縱筋相同時，剪切破壞總是發(fā)生在彎矩較大的區(qū)段；對于框架柱，臨界斜裂縫也總是發(fā)生在彎矩較大的區(qū)段。    2007-04-21        事實上，在柱高或連續(xù)梁剪跨的范圍內(nèi)，最大剪跨比是出現(xiàn)在彎矩較大區(qū)段上的。鋼筋砼構件的抗剪承載力是隨剪跨比增大而降低的。所以，同樣條件下，彎矩

5、較大區(qū)段的截面抗剪承載力要比彎矩較小區(qū)段的小，在荷載作用下，如果發(fā)生剪切破壞，就只能是在彎矩較大區(qū)段上。用來判斷框架柱是否屬于短柱的剪跨比當然應是可能發(fā)生剪切破壞截面的剪跨比。一般情況下，在高層建筑的底部幾層，框架柱的反彎點都偏上，即。此時，可按式（）或式（）判定短柱：或Hnh2yn(2)式中，- -層柱的反彎點高度比，根據(jù)幾何關系，可得：()，其中，；- -層柱的凈高。式（）具有一般性。當反彎點在柱中點時，.，式（）即成為；當反彎點在柱上端截面時，式（）即成為；如果框架柱上不出現(xiàn)反彎點，就應采用最大彎矩作用截面的剪跨比來判斷短柱。當需要初步判斷框架柱是否屬于短柱時，可先按值法確定柱子的反彎點

6、高度比，然后按式（）判斷短柱。在施工圖設計階段，可根據(jù)電算結果作進一步判斷。    2007-04-21        2 改善短柱抗震性能的措施當按剪跨比判定柱子不是短柱時，按一般框架柱的抗震要求采取構造措施即可；確定為短柱后，就應當盡量提高短柱的承載力，減小短柱的截面尺寸，采取各種有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。2.1 使用復合螺旋箍筋高層建筑框架柱的抗剪能力是應該滿足剪壓比限值和“強剪弱彎”要求的，柱端的抗彎承載力也是應該滿足“強柱弱梁”要求的。對于短柱，只

7、要符合“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的要求，是能夠做到使其不發(fā)生剪切型破壞的。因此，使用復合螺旋箍筋4來提高柱子的抗剪承載力，改善對砼的約束作用，能夠達到改善短柱抗震性能的目的。2.2 采用分體柱由于短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多，在地震作用下往往是因剪壞而失效，其抗彎強度不能完全發(fā)揮。因此，可人為地削弱短柱的抗彎強度，使抗彎強度相應于或略低于抗剪強度，這樣，在地震作用下，柱子將首先達到抗彎強度，從而呈現(xiàn)出延性的破壞狀態(tài)。人為削弱抗彎強度的方法，可以在柱中沿豎向設縫將短柱分為或個柱肢組成的分體柱，分體柱的各柱肢分開配筋。在組成分體柱的柱肢之間可以設置一些連接鍵，以增強它的初期剛度和后期耗能能

8、力。一般，連接鍵有通縫、預制分隔板、預應力摩擦阻尼器、素砼連接鍵等形式。對分體柱工作性態(tài)的理論分析和試驗研究表明：采用分體柱的方法雖然使柱子的抗剪承載力基本不變，抗彎承載力稍有降低，但是使柱子的變形能力和延性均得到顯著提高，其破壞形態(tài)由剪切型轉化為彎曲型，從而實現(xiàn)了短柱變“長柱”的設想，有效地改善了短柱尤其是剪跨比.的超短柱的抗震性能。分體柱方法已在實際工程中得到應用。2.3 采用鋼骨砼柱    2007-04-21        鋼骨砼柱由鋼骨和外包砼組成。鋼骨通常采用由鋼

9、板焊接拼制或直接扎制而成的工字形、口字形、十字形截面。與鋼結構相比，鋼骨砼柱的外包砼可以防止鋼構件的局部屈曲，提高柱的整體剛度，顯著改善鋼構件出平面扭轉屈曲性能，使鋼材的強度得以充分發(fā)揮。采用鋼骨砼結構，一般可比鋼結構節(jié)約鋼材達以上。此外，外包砼增加了結構的耐久性和耐火性。與鋼筋砼結構相比，由于配置了鋼骨，使柱子的承載力大大提高，從而有效地減小柱截面尺寸；鋼骨翼緣與箍筋對砼有很好的約束作用，砼的延性得到提高，加上鋼骨本身良好的塑性，使柱子具有良好的延性及耗能能力。由于鋼骨砼柱充分發(fā)揮了鋼與砼兩種材料的特點，具有截面尺寸小，自重輕，延性好以及優(yōu)越的技術經(jīng)濟指標等特點，如果在高層或超高層鋼筋砼結構下部的若干層采用鋼骨砼柱，可以大大減小柱的截面尺寸，顯著改善結構的抗震性能。    2.4 采用鋼管砼柱鋼管砼是由砼填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的組合結構材料，是套箍砼的一種特殊形式。由于鋼管內(nèi)的砼受到鋼管的側向約束，使得砼處于三向受壓狀態(tài)，從而使砼的抗壓強度和極限壓應變得到很大的提高，砼特別是高強砼的延性得到顯著改善。同時，鋼管既是縱筋，又是橫向箍筋，其管徑與管壁厚度的比值至少都在以下，這相當于配筋率至少都在.以上，這遠遠超過抗震規(guī)范對鋼筋砼柱所要求的最小配筋率限值。由于鋼管砼的抗壓強度和變形能力特佳，即使在高軸壓比