高層建筑抗震設(shè)計中短柱問題的處理

許玉璽

鄭州大學(xué)綜合設(shè)計研究院

引言

    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，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(gòu)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

    一般認為，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，這是一個值得注意的問題。因為確定是不是短柱的參數(shù)是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ=M/Vh≤2的柱才是短柱，而柱凈高與截而高度之比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大都靠近柱中點．取M=0.vh，則λ=M/Vh=0.5 VH／Vh0.5H/h≤2，由此即得H/h≤4。但是對于于高層建筑，梁、柱線剛度比較小，特別是底部幾層,于受柱底嵌同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H／h≤4來判定短柱，而應(yīng)按短柱的力學(xué)定義一剪跨比λ=M／Vh≤2來判定才是正確的。

    框架柱的反彎點不在柱中點時，柱子上、下端截面的彎矩值大小就不一樣，即M ≠M bo 因此，框架柱上、下端截而的剪跨比大小也是不一樣的，即λt=Mt/Vh≠λh=Mh/V h。此時,應(yīng)采用哪一個截而的剪跨比來判斷框架柱是不是屬于短柱呢?筆者認為，應(yīng)該采用框架柱上、下端截而中剪跨比的較大值，即取λ=m a x(λt，λh)。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，住高Hn相當(dāng)于連續(xù)梁的剪跨a，已有的實驗研究結(jié)果表明：對于剪跨a不變的連續(xù)梁，當(dāng)截而上、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。

    事實上，在柱高Hn或連續(xù)梁剪跨a的范圍內(nèi)，最大剪跨比是出現(xiàn)在彎矩較大區(qū)段上的。鋼筋混凝土構(gòu)件的抗剪承載力是隨剪跨比入增大而降低的。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。用來判斷框架柱是否屬于短柱的剪跨比入當(dāng)然應(yīng)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Mb>Mt，。此時，司按式(1)或式(2)判定短柱：λ=M／Vh≤2或Hn≤2／yn式中，yn為n層柱的反彎點高度比，根據(jù)幾何關(guān)系，可得：yn=1／(1+ψ)，其中，ψ=Mt／Mb，0≤ψ≤1；Hn為n層柱的凈高。

    當(dāng)反彎點在柱中點時，ψ=l，yn=0．5，式(2)即成為H n／h≤4；當(dāng)反彎點在柱上端截面時ψ=0，yn=l，式(2)即成為Hn／h≤2；如果框架柱上不出現(xiàn)反彎點，

就應(yīng)采用最大彎矩作用截面的剪跨比λ=M／V h≤2來判斷短柱。當(dāng)需要初步判斷框架柱是否扁于短柱時，可先按D值法確定柱子的反彎點高度比yn，然后按式(2)判斷短柱。在施工圖設(shè)計階段，可根據(jù)電算結(jié)果作進一步判斷。

2、改善短柱抗震性能的措施

    當(dāng)按剪跨比入判定柱子不是短柱時，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，減小短柱的截而尺寸，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“強剪弱彎”要求的，柱端的抗彎承載力也是應(yīng)該滿足“強柱弱梁”要求的。對于短柱，只要符合“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(fù)合螺旋箍筋來提高柱子的抗剪承載力，改善對混凝土的約束作用，能夠達到改善短柱抗震性能的目的。

    (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(yīng)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(shè)縫將短柱分為2或4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(shè)置一些連接鍵，以增強它的初期剛度和后期耗能能力。

3、小結(jié)

    (1)確定是不是短柱不宜按H／h≤4來判別，而應(yīng)按剪跨比λ= M／Vh≤2來判別。一般情況下，可采用本文式(2)來判別。當(dāng)需要初步判別是否屬于短柱時，可先按D值法確定反彎點高度比yn。，然后按本文式(2)來判別。

    (2)當(dāng)按剪勢跨比入判定柱子不是短柱時，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，減小短柱的截而尺寸，采取各種有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。使用復(fù)合螺旋箍筋，采用分體柱技術(shù)均可有效地改善短柱的抗震性能。因此，在高層建筑抗震設(shè)計中應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，盡量采用上述新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)，來避免短柱脆性破壞問題的發(fā)生。

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  尚雯瀟  尹維維 編輯 文徑 審核)