高层结构抗震设计中短柱的处理

【关键词】高层建筑；设计；短柱 

　　建筑抗震设计对结构构件有明确的延性要求。轴压比和剪跨比是影响构件的两个因素。也是一对互成矛盾的因素。在层高一定的前提下。为提高延性而降低轴压比则会导致柱截面增大，而柱截面增大会导致剪跨比减小，剪跨比的减小又一定程度降低了构件的延性。在高层建筑中，为满足对柱轴压比限值的要求，柱子的截面比较大，在结构的底部往往形成短柱，甚至超短柱。例如层高较低的设备层，紧身荷载很大的地下车库，底部形成大空问的框支转换层等都很容易出现短柱。无论是实验，还是实际震害（比如汶川的5.12大地震），均反映出短柱的延性很差，尤其是超短柱，在破坏前几乎没有明显的变形过程。短柱在遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震作用时，很容易发生剪切破坏而造成倒塌，无法满足“中震可修，大震不到”的设计准则。为了避免短柱脆性破坏问题在高层建筑中发生， 首先要正确判定出哪些是短柱， 然后对短柱采取一些合理的构造措施或处理，提高短柱的延性和抗震性能。 

　　一、短柱的正确判定 

　　《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》 JGJ3-91 （以下简称旧《高规》 ）规定柱净高 H 与截面底边尺寸 h 之比小于 4（H/h≤4） 的柱为短柱。而《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002及新版JGJ3-2010（以下简称新《高规》）规定柱的剪跨比小于 2（λ=Mc/Vch0≤2）的柱为短柱。这两者有什么异同点，下面作个简单分析。旧《高规》按 H/h≤4 来判定短柱的主要依据是λ=M/Vh， 考虑到框架柱的反弯点大都靠近柱的中点，故近似取 M=0.5Vh， 则λ= M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2， 由此得 H/h≤4。但是，对于高层建筑，梁、柱线刚度比较小，特别是底部几层，由于受柱底嵌固程度的影响及梁对柱的约束弯距较小， 反弯点的高度有时会比柱高的一半高得多，甚至不会出现反弯点。此时就不能用 H/h≤4来判定短柱，而应该按短柱的力学定义剪跨比λ=Mc/Vch0≤2 来判定。可见，用 H/h≤4 来判定短柱只是在某些特定条件下适用，这也是很多工程设计人员经常未引起重视的地方。框架柱的反弯点不在柱中点时，柱子上、下端截面的弯矩值大小就不一样，即 Mt≠Mb。因此，框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一样的，即λt=Mt/Vh≠λb=Mb/Vh。此时，应采用框架柱上、下端截面中剪跨比的较大值，即取λ=max（λt，λb）来判断框架柱是不是属于短柱。当需要初步判断框架柱是否属于短柱时，可先按 D 值法确定柱子的反弯点高度比 yn，然后按 Hn/h≤2/yn 来判断短柱。在施工图设计阶段，可根据电算结果作进一步判断。 

　　二、改善短柱抗震性能的措施 

　　当按剪跨比λ判定柱子不是短柱时，按一般框架柱的抗震要求采取构造措施即可。确定为短柱后，就应当尽量提高短柱的承载力， 减小短柱的截面尺寸，采取各种有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。 

　　1.使用复合螺旋箍筋 

　　高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求的，柱端的抗弯承载力也是应该满足“强柱弱梁”要求的。对于短柱，只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求，是能够做到使其不发生剪切型破坏的。因此，使用复合螺旋箍筋来提高柱子的抗剪承载力，改善对混凝土的约束作用，能够达到改善短柱抗震性能的目的。 

　　2.采用分体柱 

　　由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多，在地震作用下往往是因剪坏而失效，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度，这样，在地震作用下，柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。 

　　人为削弱抗弯强度的方法， 可以在柱中沿竖向设缝将短柱分为2或4个柱肢组成的分体柱， 分体柱的各柱肢分开配筋。 在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接键， 以增强它的初期刚度和后期耗能能力。一般来说，连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素混凝土连接键等形式。 

　　3.采用钢骨混凝土柱 

　　钢骨混凝土柱由钢骨和外包混凝土组成，钢骨通常采用由钢板焊接拼制或直接扎制而成的工字形、口字形、十字形截面。由于钢骨混凝土柱充分发挥了钢与混凝土两种材料的特点， 具有截面尺寸小、自重轻、延性好以及优越的技术经济指标等特点。如果在高层或超高层钢筋混凝土结构底部的若干层采用钢骨混凝土柱，可以大大减小柱的截面尺寸，显著改善结构的抗震性能。 

　　4.采用钢管混凝土柱 

　　钢管混凝土是将混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍混凝土的一种特殊形式。 由于钢管内的混凝土受到钢管的侧向约束，使混凝土的抗压强度和极限压应变得到很大提高，同时钢管的作用既可以充当纵筋，又可以充当横向箍筋。 由于钢管混凝土的抗压强度和变形能力特佳， 无需限定轴压比限值。 对于钢管混凝土单肢柱的承载力， 当选用了高强混凝土和合适的套箍指标后， 柱子的承载力可大幅度提高， 通常柱截面可比普通钢筋混凝土柱减小一半以上，消除了短柱并具有良好的抗震性能。 

　　5.采用钢管混凝土组合柱和叠合柱 

　　在钢筋混凝土柱截面的中部设置圆钢管， 钢管内浇筑高强、 高弹性模量混凝土，成为钢管混凝土组合柱。其轴心受压承载力大、延性好、抗剪能力强。 

　　钢管混凝土叠合柱是通过施工顺序实现的。其施工过程大体分为三步：安装钢管，浇筑钢管内高强混凝土；以钢管混凝土柱为楼盖梁的支柱，浇筑楼盖结构，浇筑时在柱周围的楼板上预留后浇孔；钢管混凝土柱达到一定高度、承受的轴压力达到柱轴压力设计值0.3～0.6 时，叠合浇筑钢管外的混凝土，成为叠合柱。除了具有组合柱的特点外，叠合柱延性提高的优势更加突出。 

　　6.采用隔震、消能减震设计 

　　隔震、 消能减震设计是国家推广的对抗震有较高要求时适合采用的新技术、新工艺。比如在基础上部与柱底之间设置橡胶支座隔震，可以通过这种柔性连接消耗地震能量，降低地震对上部结构的作用。比当地的设防烈度降低一度设防，降低短柱的地震等级，在柱的截面内、 配筋相同的条件下既可以达到较好的抗震性能，又可以取得较好的经济效益。 

　　三、结语 

　　综上，分析可得出：（1）判别是不是短柱。不宜按H/h≤4来判定。而应按λ=M/Vh≤2来判定；（2）当已判定某柱为短柱时。可以使用（连续）复合螺旋箍筋，采用分体柱等技术手段来有效的改善短柱的抗震性能；（3）采用钢骨砼、钢管砼的新结构形式，减小柱截面尺寸。提高柱的承载力，避免在结构底部出现短柱，尤其是超短柱；（4）采用隔震、消能减震设计来减小地震对短柱的作用。因此，在高层建筑抗震设计中应根据工程的具体情况，尽量采用新技术、新结构来避免短柱脆性破坏问题的发生。 

　　参考文献： 

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　　[2] 汪俊.叶华.浅析高层建筑消防设计[J].长三角2010，04（5） 

　　[3] 邓伯阳.浅析高层住宅楼建筑设计[J].中国科技博览2010（23） 

　　[4] 冯琦禄.高层建筑设计中的结构思维[D].2010