高層建筑抗震設計中短柱的處理

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引言

建筑物的層高一定時，為提升其延性，通常會選擇減少其軸壓比，軸壓比的減小又會增加柱截面，進而減小了柱的剪跨比，使其延性受到影響。因而，在高層建筑中，為使軸壓比的限值滿足相關要求，通常柱的截面都較大，而使建筑結(jié)構的底部出現(xiàn)短柱問題。另一方面，荷載大而樓層低的建筑物設計中也會產(chǎn)生短柱問題。而短柱其延性較差超短柱更甚，一旦地震發(fā)生，很容易形成剪切破壞，而使得結(jié)構出現(xiàn)破壞甚至坍塌，建筑物的使用功能滿足不了實際需求?；诖?，對高層建筑抗震設計中的短柱問題進行分析，并探討解決短柱問題的相應對策，便具有十分重要的現(xiàn)實意義，本文對此展開介紹，以期能夠為相關人員提供有參考價值的建議。

1短柱的判斷方法

根據(jù)我國相關規(guī)范指出，短柱為柱凈髙和截面高度的比值不大與4的柱，技術人員也多以此來判斷是否為短柱。然而，值得注意的是，由于柱剪跨比才是判定短柱的具體參數(shù)，只有當剪跨比不大于2時，才為短柱，而當柱凈髙和截面髙度的比值滿足要求時，剪跨比也不一定不大于2，也即不能肯定一定是短柱，而按照柱凈髙和截面高度的比值不大于4進行短柱的判定時，其依據(jù)主要有兩個方面，一是剪跨比不大于2，二是由于框架柱的反彎點通常距離柱中點較近，但，髙層建筑其梁柱的通常較小，尤其是對于底部來說，柱底嵌固對其造成了一定的影響，同時梁對柱所形成的約束彎距也不大，反彎點其髙度要遠遠髙出柱髙的一半，某些情況下，甚至不存在反彎點，對于這種情形，用柱凈髙和截面髙度的比值不大于4進行短柱的判定，就不再適合，此時，應以剪跨比作為短柱的判定依據(jù)。當框架柱其反彎點沒有位于柱中點時，柱子上下截面就具有不一樣的彎矩值，因而，框架柱其上下截面也就具有不同的剪跨比。對于該種情況，該如何進行短柱的判定呢？筆者認為，框架柱上下截面的剪跨比最大的應作為短柱的判定依據(jù)，這是由于，框架柱其受力特性可等同于軸壓力一定的連續(xù)梁，柱高等同子連續(xù)梁剪跨。根據(jù)相關研究成果表明，當連續(xù)梁的剪跨不變時，且其上下截面的鋼筋配置也相一致時，彎矩大的區(qū)域發(fā)生剪切破壞的可能性也大，對于框架柱來說，其彎矩大的區(qū)域也較容易出現(xiàn)臨界斜裂縫。實際上，在柱髙或是連續(xù)梁的剪跨區(qū)間內(nèi)，彎矩大的區(qū)域通常其剪跨比也最大。而鋼筋混凝土其抗剪力隨著剪跨比的增大而減小，在承受荷載時，一旦出現(xiàn)剪切破壞，其發(fā)生的區(qū)域一定是彎矩大的地方。而可能出現(xiàn)剪切破壞的截面剪跨比自然應是作為短柱判定依據(jù)的剪跨比。一般來說，對于髙層建筑其底部樓層而言，框架柱其反彎點相對偏上，也即柱上截面的彎矩值小于下截面的彎矩值，對于該種情況，短柱的判定可以下截面的剪跨比不大于2或是n層柱其凈高和截面高度的比值不大于2與n層柱其反彎點高度比的比值為依據(jù)，而后者具有通用性。當進行框架柱是否屬于短柱的初步判定時，可先通過D值法將柱的反彎點髙度比確定下來，然后再根據(jù)短后者短柱判定依據(jù)進行判斷，對于施工圖紙的設計階段而言，可結(jié)合驗算結(jié)果進一步的進行判定。

2解決高層建筑抗震設計中短柱問題的幾點建議

在根據(jù)剪跨比對框架柱是否屬于短柱進行判定后，根據(jù)普通框架柱其相關抗震要求，只需采取一定的構造措施。而當確定框架柱為短柱后，應盡可能的使短柱具有較好的承載力，減小其截面尺寸，并采取一定的措施使短柱具有較好的延展性，進而提髙短柱的抗震能力。

2．1復合螺旋箍筋

對于高層建筑而言，其框架柱抗剪力應符合弱彎強剪以及剪壓比的限值要求，而柱端其抗彎力應符合弱梁強柱的要求，短柱在滿足弱彎強剪和弱梁強柱的雙重要求下，是可以避免剪切破壞的發(fā)生的。因而，復合螺旋箍筋能夠使柱的抗剪力得到提升，并使對混凝土的制約作用得到改善，以增強短柱的抗震能力。

2．2分體柱

相交于短柱的抗剪力而言，其抗彎性能更好。然而，地震所造成的破壞多是剪切破壞，因而，短柱的抗彎性能也就無法充分的得到發(fā)揮?；诖耍蛇m當?shù)膶⒍讨淇箯潖姸热藶榈募右韵魅?，使短柱的抗彎強度比其抗剪強度略低些，當?shù)卣鸢l(fā)生時，柱子的抗彎強度首先達到，從而表現(xiàn)為延性破壞。．在進行短柱抗彎強度的削弱時，可采取的人為方法有，沿豎向在柱中設縫，將短柱分成分體柱，分體柱可由2個或是4個柱肢組成，并分別進行分體柱柱肢的配筋，還可將部分連接鍵設置于柱肢間，以使其初期剛度得以增強，并增大其后期的耗能力。一般來說，連接鍵的形式包括通縫、素砼連接鍵、預制分割板等。由分體柱的相關理論和試驗結(jié)果表明，分體柱方法雖然并沒有怎么改變柱的抗剪力，只是稍微降低了柱的抗彎力，然而，柱的延展性和變形力均有明顯的提升，柱的破壞也由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐?，實現(xiàn)了短柱變“長”的構想，使短柱的抗震性能得到提升，尤其是剪跨比不大于1．5的超短柱，且該種方法在工程的實際建設中也己經(jīng)在應用。

2．3鋼骨砼柱

鋼骨及外包砼一起構成鋼骨砼柱，鋼骨截面通常為焊接拼制鋼板而成的或是直接扎成的十字形、口字形、工字形等。相較于鋼結(jié)構而言，鋼骨砼柱其外包輪能夠起到避免鋼構件出現(xiàn)局部扭曲變形的問題，使柱的剛度得到提升，鋼構件平面的扭轉(zhuǎn)彎曲力得到明顯的改善，充分發(fā)揮出鋼材強度的作用。鋼骨砼結(jié)構的有效利用，相較于普通鋼結(jié)構而言，其節(jié)約了將近一半以上的鋼材。另外，外包輪還使結(jié)構具有更好的耐久耐火能力。相較于鋼筋砼結(jié)構來說，因鋼骨輪有鋼骨的作用，其承載力得到了極大的提升，柱的截面尺寸被有效地降低，鋼骨的邊緣和箍筋很好的約束了砼，增強了其延展性，且由于鋼骨塑性較好，柱子的延性和耗能力得到了有效的提髙。因鋼骨輪柱兼具鋼和砼的特性，其截面尺寸較小，重量輕，延展性好，技術指標和經(jīng)濟指標優(yōu)越等，若能將鋼骨砼柱應用于高層或超高層其鋼筋砼下方一定位置處，將會使柱截面尺寸大大的被減小，而使高層建筑的抗震性能得到顯著的提升。

3結(jié)語

由于短柱的延性差，當發(fā)生地震時，很容易形成剪切破壞，而使建筑結(jié)構受到損害，嚴重的甚至會出現(xiàn)坍塌，影響了建筑物功能的發(fā)揮。解決高層建筑結(jié)構設計種的短柱問題是十分必要的，而解決短柱問題的前提就是對短柱進行準確的判定，本文提出了短柱判定的相關依據(jù)，以供參考。為解決短柱問題，筆者認為應有效應用復合螺旋箍筋、分體柱、鋼骨砼柱等方法，以使高層建筑結(jié)構中存在的短柱其延性得到改善和增強，確保建筑結(jié)構的穩(wěn)定性，增強高層建筑的抗震性能，進而充分發(fā)揮出高層建筑的使用功能，促進我國建筑行業(yè)實現(xiàn)更好更快的發(fā)展。

作者：夏奎 單位：重慶源道建筑規(guī)劃設計有限公司