高層建筑抗震設(shè)計(jì)短柱問題的處理

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　　在層高一定的情況下，為提高延性而降低軸壓比則會(huì)導(dǎo)致柱截面增大，且軸壓比越小截面越大；而截面增大導(dǎo)致剪跨比減小，又降低了構(gòu)件的延性。因此，在高層特別是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為滿足規(guī)程[1]對(duì)軸壓比限值的要求，柱子的截面往往較大，在結(jié)構(gòu)底部常常形成短柱甚至超短柱。另外，諸如圖書館的書庫、層高較低的儲(chǔ)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(shè)計(jì)中也不可避免地會(huì)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(shè)防烈度或高于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，很容易發(fā)生剪切破壞而造成結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌，無法滿足“中震可修，大震不倒”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。為了避免短柱脆性破壞問題在高層建筑中發(fā)生，首先要正確判定短柱，然后對(duì)短柱采取一些構(gòu)造措施或處理，提高短柱的延性和抗震性能。

　　一、短柱的正確判定

　　規(guī)程[1]和規(guī)范[2]都規(guī)定，柱凈高H與截面高度h之比H∶h≤4為短柱，工程界許多工程技術(shù)人員也都據(jù)此來判定短柱，這是一個(gè)值得注意的問題。因?yàn)榇_定是否短柱的參數(shù)是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ=M∶Vh≤2的柱才是短柱，而柱凈高與截面高度之比H∶h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于2，亦即不一定是短柱。按H∶h≤4來判定的主要依據(jù)是：①λ=M∶Vh≤2；②考慮到框架柱反彎點(diǎn)大都靠近柱中點(diǎn)，取M=0.5VH，則λ=M∶Vh=0.5VH∶Vh=0.5H∶h≤2，由此即得H∶h≤4.但是，對(duì)于高層建筑，梁、柱線剛度較小，特別是底部幾層，由于受柱底嵌固的影響且梁對(duì)柱的約束彎矩較小，反彎點(diǎn)的高度會(huì)比柱高的一半高得多，甚至不出現(xiàn)反彎點(diǎn)，此時(shí)不宜按H∶h≤4來判定短柱，而應(yīng)按短柱的力學(xué)定義——剪跨比λ=M∶Vh≤2來判定才是正確的。

　　事實(shí)上，在柱高Hn或連續(xù)梁剪跨a的范圍內(nèi)，最大剪跨比出現(xiàn)在彎矩較大區(qū)段。鋼筋砼構(gòu)件的抗剪承載力是隨剪跨比λ增大而降低的。所以，同樣條件下，彎矩較大區(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λ當(dāng)然應(yīng)是可能發(fā)生剪切破壞截面的剪跨比λ。

　　二、改善短柱抗震性能的措施

　　當(dāng)按剪跨比λ判定柱子不是短柱時(shí)，按一般框架柱的抗震要求采取構(gòu)造措施即可；確定為短柱后，就應(yīng)當(dāng)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。

　　1、使用復(fù)合螺旋箍筋。高層建筑框架柱的抗剪能力是應(yīng)該滿足剪壓比限值和“強(qiáng)剪弱彎”要求的，柱端的抗彎承載力也是應(yīng)該滿足“強(qiáng)柱弱梁”要求的。對(duì)于短柱，只要符合“強(qiáng)剪弱彎”和“強(qiáng)柱弱梁”的要求，是能夠做到使其不發(fā)生剪切型破壞的。

　　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切而失效，其抗彎強(qiáng)度不能完全發(fā)揮。因此，可人為地削弱短柱的抗彎強(qiáng)度，使抗彎強(qiáng)度相應(yīng)于或略低于抗剪強(qiáng)度，這樣，在地震作用下，柱子將首先達(dá)到抗彎強(qiáng)度，從而呈現(xiàn)出延性的破壞狀態(tài)。

　　3、采用鋼骨砼柱。鋼骨砼柱由鋼骨和外包砼組成。鋼骨通常采用由鋼板焊接拼制或直接扎制而成的工字形、口字形、十字形截面。由于鋼骨砼柱充分發(fā)揮了鋼與砼兩種材料的特點(diǎn)，具有截面尺寸小、自重輕、延性好以及優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等特點(diǎn)，如果在高層或超高層鋼筋砼結(jié)構(gòu)下部的若干層采用鋼骨砼柱，可大大減小柱的截面尺寸，顯著改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

　　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(jié)構(gòu)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(cè)向約束，使砼處于三向受壓狀態(tài)，從而使砼的抗壓強(qiáng)度和極限壓應(yīng)變得到很大提高，砼特別是高強(qiáng)砼的延性得到顯著改善。

　　三、小結(jié)

　　1、確定是否短柱不宜按H∶h≤4來判別，而應(yīng)按剪跨比λ=M∶Vh≤2來判別。

　　2、當(dāng)按剪跨比λ判定柱子不是短柱時(shí)，按一般框架柱的抗震要求采取構(gòu)造措施即可；確為短柱，就應(yīng)當(dāng)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。