高層建筑抗震設計的短柱問題處理

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摘要：高層建筑的結構底部常常形成短柱，但短柱的截面比較大，剪跨比比較低，延性相對較弱，在地震中容易發(fā)生剪切破壞?；诖?，文章說明了如何判斷高層建筑中的短柱，并重點分析了如何改善高層建筑中短柱的抗震性能。

關鍵詞：高層建筑；短柱問題；抗震性能

延性是保證高層建筑中短柱抗震能力的主要因素，而影響延性的軸壓比與剪跨比兩個因素又互相矛盾，往往為提高延性而降低軸壓比時，短柱的柱截面就會增大，使剪跨比減小，限制了短柱的延性，對此，在高層建筑的抗震設計中如何處理短柱的問題，值得相關人員深入探究。

1如何判斷短柱

在我國相關規(guī)定與規(guī)范中，柱凈高與截面高度的比值小于4為短柱，但是，在高層建筑中，梁柱一般比較小，尤其柱底部嵌固會使梁對柱產生的約束彎矩不大，所以柱的反彎點通常要比柱中點高得多，甚至有時高層建筑的柱中不存在反彎點，此時再判斷是否為短柱時就無法根據(jù)柱凈高和截面高度的比值是否小于4，而是要根據(jù)剪跨比是否小于2。如果框架柱的反彎點離柱中點較遠，柱的上下截面彎矩值就會不同，其剪跨比也會不同，此時若要判斷該柱是否為短柱，應該選取上下截面最大的剪跨比為依據(jù)。因為框架柱的受力特性與軸壓力為定值的連續(xù)梁相同，所以可以將柱高看做連續(xù)梁的剪跨。根據(jù)研究結果發(fā)現(xiàn)，如果連續(xù)梁剪跨不變，而且截面的上下配置縱筋相同，彎矩較大的區(qū)段更容易發(fā)生剪切破壞，在框架柱中，彎矩較大的區(qū)段也容易發(fā)生臨界斜裂縫。事實上，在柱高或連續(xù)梁的剪跨區(qū)間內，彎矩越大的區(qū)域剪跨比越大，而且隨著剪跨比的增加，鋼筋混凝土的抗剪力也會縮小，所以在承受荷載時，出現(xiàn)剪切破壞的區(qū)域一定是彎矩大的地方，也因此應該選取截面最大的剪跨比判斷短柱。通常情況下，載高層建筑內框架柱的反彎點比較高，所以柱的上截面彎矩值比下截面彎矩值更小，于是通過判斷下截面的剪跨比是否小于2可以判斷是否為短柱，另一種辦法是判斷柱凈高與截面高度的比是否小于2/反彎點高度，如果反彎點在柱中點，柱凈高與截面高度的比值應該小于4，如果反彎點在柱的上端截面，柱凈高與截面高度的比值就應該小于2，如果沒有反彎點，則選取截面的最大剪跨比小于2來判斷[1]。

2如何改善短柱的抗震性能

2.1復合螺旋箍筋

高層建筑框架柱的抗剪能力既要滿足剪壓比的限值，又要滿足比抗彎能力強，而且柱端的抗彎承載力也要符合“強柱弱梁”。對于短柱來說，只要其同時滿足“強剪弱彎”以及“強柱弱梁”兩個條件，就能降低剪切破壞發(fā)生的幾率。復合螺旋箍筋可以有效提高柱子的抗剪承載力，使短柱滿足上述條件，從而改善對混凝土的約束力，實現(xiàn)短柱的抗震性能提高。

2.2分體柱

高層建筑中的短柱抗彎性比抗剪性更好，但是地震所造成的破壞多為剪切破壞，因此在地震中抗彎性無法充分發(fā)揮作用。為提高高層建筑的抗震性，可人為削弱短柱的抗彎強度，使其抗彎強度低于抗剪強度。在地震發(fā)生時，短柱的抗彎強度先達到極限，剪切破壞被轉換為延性破壞。在削弱短柱的抗彎強度時，可以采用分柱體的辦法：①沿豎直方向在短柱中設置縫隙，將短柱分成2～4個柱肢組成的分體柱；②對分體柱的各柱肢進行配筋；③為提高分體柱的的初期剛度和后期耗能能力，可以將一些連接鍵設置在分體柱的各柱肢之間。連接鍵一般包括通縫、素混凝土連接鍵、預制分隔板、預應力摩擦阻尼等形式。利用分體柱的方法雖然沒有改變短柱的抗剪強度，而且還使短柱的抗彎強度稍稍降低，但實踐表明，其變形能力和延展性都被明顯提高，柱受到的破壞也由剪切破壞轉變?yōu)閺澢茐?，實現(xiàn)了短柱變?yōu)椤伴L柱”的構想，提高了短柱的抗震性能，尤其是剪跨比小于1.5的超短柱更為明顯[2]。

2.3鋼骨混凝土柱

鋼骨混凝土柱包括鋼骨和外包混凝土兩部分，鋼骨一般由鋼板焊接組成，或者直接被軋制成截面為工字、口字或十字的形狀。外包混凝土的部分主要是為了提高短柱的整體剛度，提高鋼構件平面扭轉彎曲力以防止其發(fā)生局部屈曲的情況，保證鋼材能充分發(fā)揮強度。鋼骨混凝土使用的鋼材比一般鋼結構更少，節(jié)約程度高達50%以上，而且外包混凝土的部分還能使結構的耐久性與耐火性整體提升。配置了鋼骨的混凝土相比于一般的鋼筋混凝土更能提高柱子的承載力，使柱截面尺寸較小，鋼骨翼緣和箍筋能較好地約束混凝土，使其延性增加，再加上鋼骨本身就具有較好的塑性，這種結構的混凝土使柱子的延性和耗能能力都顯著提高。鋼骨混凝土柱兼具鋼與混凝土的特點，其截面小、重量輕、延性好而且成本更低，在高層建筑中使用這種鋼骨混凝土柱，可以減小柱的截面尺寸，極大程度上提高建筑的抗震能力。

2.4鋼管混凝土柱

鋼管混凝土是指將混凝土填入薄壁圓形鋼管中，組成套箍混凝土。因為鋼管會對內部的混凝土形成側向約束，使混凝土各方面都處于受壓狀態(tài)，抗壓強度及極限壓應顯著提高，延性也得到相對改善。鋼管既屬于縱筋，又屬于橫筋，其管徑與管壁厚度的比值都小于90，這就使得其配筋率至少大于4.6%，比抗震規(guī)范中規(guī)定的鋼筋混凝土柱最小配筋率高得多。而且鋼管混凝土的抗壓強度和變形能力都比較好，所以即使在高軸壓比下，其受壓區(qū)仍然塑性變形比較好，不會被先破壞，也不會發(fā)生受壓翼緣屈曲失穩(wěn)的情況。

3結束語

綜上所述，目前多數(shù)工程設計時在判斷短柱時選取的依據(jù)存在錯誤。由分析可知，判斷短柱應根據(jù)柱的剪跨比，為提高短柱的抗震性能，設計人員采用復合螺旋箍筋加強了短柱的抗剪能力，利用分體柱卻弱了短柱的抗彎強度，使地震時短柱受到的破壞為延性破壞，同時設計人員還將短柱設計成鋼骨混凝土柱或鋼管混凝土柱，充分提高了柱子的承載力。

參考文獻：

[1]黎靜.高層建筑抗震設計研究[J].工程技術研究,2017,(5):220-221.

[2]肖常安.高層建筑抗震設計中短柱問題的處理[J].工業(yè)建筑,2000,(10):68-70+60.

作者:王曉繪 單位:山東華科規(guī)劃建筑設計有限公司