高层建筑抗震设计中短柱问题的处理措施

2018-02-14冀婧

建材与装饰 2018年49期

冀婧

（大同市规划设计院山西大同 037006）

引言

建筑物的层高较高时，为提升其延性，通常会选择减少其轴压比，轴压比的减小又会增加柱截面，进而减小了柱的剪跨比，使其延性受到影响。因而，在高层建筑中，为使轴压比的限值满足相关要求，通常柱的截面都较大，而使建筑结构的底部出现短柱问题。另一方面，荷载大而楼层低的建筑物设计中也会产生短柱问题。而短柱其延性较差超短柱更甚，一旦地震发生，很容易形成剪切破坏，而使得结构出现破坏甚至坍塌，建筑物的使用功能满足不了实际需求。

1 高层建筑抗震设计中短柱问题

在高层建筑抗震设计过程中，柱净高与截面高度比值不大于4，可以判定为短柱。通常情况下高层建筑由于梁比较小，尤其是底部的嵌固结构会导致梁对柱产生的约束弯距较小，这样也会造成柱的反弯点要高出柱中点。甚至很多的高层建筑柱中不存在反弯点。在这种情况下对于短柱的判断无法按照柱净高和截面高度的比值小于4，所以可以采用剪跨比是否小于2。

如果框架柱反弯点距离柱中点比较远，柱的上下截面弯矩值会出现异常，其剪跨比也会存在差异。如果要判断该处是否为短柱，必须要选择上下截面最大剪跨比进行判断。如果发现连续剪跨不变而截面出现上下配置的纵筋相同，则弯矩较大的区域很容易发生剪切破坏的问题。在框架柱中弯矩较大的区域也会因为临界斜裂缝而产生问题。从当前实际情况来看，柱高或者出现连续梁剪跨区间弯曲越大则区域剪跨比越大。随着剪跨比的增加混凝土的抗剪能力也会变小，导致承受能力因为剪切破坏的影响造成弯曲变大，所以必须要根据截面的最大剪跨比判断是否存在短柱的问题。一般情况下，在高层建筑内框架柱的反弯点会比较高，由于柱上截面弯矩值比下截面弯矩值要小，所以经过判断下截面的剪跨比要小于2。另一种办法则是根据判断柱净高与截面高度比是否为小于2的反弯点高度，如果反弯点在柱中点，则柱净高应该与截面高度比值小于4，如果反弯点在柱上段，则柱净高与截面高度比值应该小于2，如果不存在反弯点则截面最大剪跨比，应该按照小于2的方式来判断。实际工程中，一般在下列几个位置容易出现短柱：结构错层标高差较小处；层高较小的设备层处；结构底层柱截面较大处；框架柱间砌筑不到顶的隔墙、窗间墙以及楼梯间休息平台处；采用柱下独立基础或条形基础，基础顶到基础梁处等等。同时还应注意计算的方向，柱子的截面高度应选取沿填充墙平面内的柱子截面尺寸，而不是选取柱子截面尺寸最大值。

延性是指结构，构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力。延性好的结构，构件或构件的某个截面的后期变形能力大，在达到屈服或最大承载能力状态后仍能吸收一定量的能量，能避免脆性破坏的发生。所以可以通过提高短柱的延性来提高短柱的抗震性能。由于延性的主要影响因素是轴压比与剪跨比，所以在保证短柱截面承载力设计过程中可以通过控制这两个比值来提高短柱的延性。

2 高层建筑抗震设计中短柱问题的处理措施

2.1 使用复合螺旋箍筋

对于高层建筑而言，其框架柱抗剪力应符合弱弯强剪以及剪压比的限值要求，而柱端其抗弯力应符合弱梁强柱的要求，短柱在满足弱弯强剪和弱梁强柱的双重要求下，是可以避免剪切破坏的发生的。因而，复合螺旋箍筋能够使柱的抗剪力得到提升，并使对棍凝土的制约作用得到改善，以增强短柱的抗震能力。

2.2 使用分体柱

高层建筑中的短柱抗弯性比抗剪性更好，但是地震所造成的破坏多为剪切破坏，因此在地震中抗弯性无法充分发挥作用。为提高高层建筑的抗震性，可人为削弱短柱的抗弯强度，使其抗弯强度低于抗剪强度。在地震发生时，短柱的抗弯强度先达到极限，剪切破坏被转换为延性破坏。在削弱短柱的抗弯强度时，可以采用分柱体的办法：①沿竖直方向在短柱中设置缝隙，将短柱分成2～4个柱肢组成的分体柱；②对分体柱的各柱肢进行配筋；③为提高分体柱的初期刚度和后期耗能能力，可以将一些连接键设置在分体柱的各柱肢之间。连接键一般包括通缝、素混凝土连接键、预制分隔板、预应力摩擦阻尼等形式。利用分体柱的方法虽然没有改变短柱的抗剪强度，而且还使短柱的抗弯强度稍稍降低，但实践表明，其变形能力和延展性都被明显提高，柱受到的破坏也由剪切破坏转变为弯曲破坏，实现了短柱变为“长柱”的构想，提高了短柱的抗震性能，尤其是剪跨比小于1.5的超短柱更为明显。

2.3 使用钢骨混凝土柱

在进行钢结构和钢骨混凝土柱的比较时，钢骨混凝土柱的外包混凝土在防止部分钢构件出现屈曲情况的方面上一直起着很大作用，也能在大幅度地提高柱的刚度性，进而大大改善钢所有部件扭转屈曲性能，充分发挥钢材的强度。钢骨混凝土结构的利用，不仅可以比钢结构多节约50%以上的钢材材料。而且，外包混凝土还可以使结构更加的耐用，甚至对热度的忍耐性也会增强。在进行钢筋混凝土结构的比较时，钢骨的配置，能提高了柱子的承载力，从而使柱截面尺寸得到有效控制。此外，钢骨翼缘能够很好约束混凝土，进而能提高混凝土的延展性，再加上钢骨本来就拥有良好的塑造性，能切实保障柱子延伸性及耗能能力。由于融合了钢与混凝土两种材料好的方面，钢骨混凝土柱拥有截面尺寸小，自重较轻，延性好以及指标优秀等特点，假如钢骨混凝土柱能运用在高层或超高层钢筋混凝土结构下部的若干层，可以很大程度上缩小柱尺寸，从而让结构的抗震性能有质的飞越。