高層建筑抗震設計中短柱的處理

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引言

建筑物的層高一定時，為提升其延性，通常會選擇減少其軸壓比，軸壓比的減小又會增加柱截面，進而減小了柱的剪跨比，使其延性受到影響。因而，在高層建筑中，為使軸壓比的限值滿足相關要求，通常柱的截面都較大，而使建筑結構的底部出現短柱問題。另一方面，荷載大而樓層低的建筑物設計中也會產生短柱問題。而短柱其延性較差超短柱更甚，一旦地震發生，很容易形成剪切破壞，而使得結構出現破壞甚至坍塌，建筑物的使用功能滿足不了實際需求。基于此，對高層建筑抗震設計中的短柱問題進行分析，并探討解決短柱問題的相應對策，便具有十分重要的現實意義，本文對此展開介紹，以期能夠為相關人員提供有參考價值的建議。

1短柱的判斷方法

根據我國相關規范指出，短柱為柱凈髙和截面高度的比值不大與4的柱，技術人員也多以此來判斷是否為短柱。然而，值得注意的是，由于柱剪跨比才是判定短柱的具體參數，只有當剪跨比不大于2時，才為短柱，而當柱凈髙和截面髙度的比值滿足要求時，剪跨比也不一定不大于2，也即不能肯定一定是短柱，而按照柱凈髙和截面高度的比值不大于4進行短柱的判定時，其依據主要有兩個方面，一是剪跨比不大于2，二是由于框架柱的反彎點通常距離柱中點較近，但，髙層建筑其梁柱的通常較小，尤其是對于底部來說，柱底嵌固對其造成了一定的影響，同時梁對柱所形成的約束彎距也不大，反彎點其髙度要遠遠髙出柱髙的一半，某些情況下，甚至不存在反彎點，對于這種情形，用柱凈髙和截面髙度的比值不大于4進行短柱的判定，就不再適合，此時，應以剪跨比作為短柱的判定依據。當框架柱其反彎點沒有位于柱中點時，柱子上下截面就具有不一樣的彎矩值，因而，框架柱其上下截面也就具有不同的剪跨比。對于該種情況，該如何進行短柱的判定呢？筆者認為，框架柱上下截面的剪跨比最大的應作為短柱的判定依據，這是由于，框架柱其受力特性可等同于軸壓力一定的連續梁，柱高等同子連續梁剪跨。根據相關研究成果表明，當連續梁的剪跨不變時，且其上下截面的鋼筋配置也相一致時，彎矩大的區域發生剪切破壞的可能性也大，對于框架柱來說，其彎矩大的區域也較容易出現臨界斜裂縫。實際上，在柱髙或是連續梁的剪跨區間內，彎矩大的區域通常其剪跨比也最大。而鋼筋混凝土其抗剪力隨著剪跨比的增大而減小，在承受荷載時，一旦出現剪切破壞，其發生的區域一定是彎矩大的地方。而可能出現剪切破壞的截面剪跨比自然應是作為短柱判定依據的剪跨比。一般來說，對于髙層建筑其底部樓層而言，框架柱其反彎點相對偏上，也即柱上截面的彎矩值小于下截面的彎矩值，對于該種情況，短柱的判定可以下截面的剪跨比不大于2或是n層柱其凈高和截面高度的比值不大于2與n層柱其反彎點高度比的比值為依據，而后者具有通用性。當進行框架柱是否屬于短柱的初步判定時，可先通過D值法將柱的反彎點髙度比確定下來，然后再根據短后者短柱判定依據進行判斷，對于施工圖紙的設計階段而言，可結合驗算結果進一步的進行判定。

2解決高層建筑抗震設計中短柱問題的幾點建議

在根據剪跨比對框架柱是否屬于短柱進行判定后，根據普通框架柱其相關抗震要求，只需采取一定的構造措施。而當確定框架柱為短柱后，應盡可能的使短柱具有較好的承載力，減小其截面尺寸，并采取一定的措施使短柱具有較好的延展性，進而提髙短柱的抗震能力。

2．1復合螺旋箍筋

對于高層建筑而言，其框架柱抗剪力應符合弱彎強剪以及剪壓比的限值要求，而柱端其抗彎力應符合弱梁強柱的要求，短柱在滿足弱彎強剪和弱梁強柱的雙重要求下，是可以避免剪切破壞的發生的。因而，復合螺旋箍筋能夠使柱的抗剪力得到提升，并使對混凝土的制約作用得到改善，以增強短柱的抗震能力。

2．2分體柱

相交于短柱的抗剪力而言，其抗彎性能更好。然而，地震所造成的破壞多是剪切破壞，因而，短柱的抗彎性能也就無法充分的得到發揮。基于此，可適當的將短柱其抗彎強度人為的加以削弱，使短柱的抗彎強度比其抗剪強度略低些，當地震發生時，柱子的抗彎強度首先達到，從而表現為延性破壞。．在進行短柱抗彎強度的削弱時，可采取的人為方法有，沿豎向在柱中設縫，將短柱分成分體柱，分體柱可由2個或是4個柱肢組成，并分別進行分體柱柱肢的配筋，還可將部分連接鍵設置于柱肢間，以使其初期剛度得以增強，并增大其后期的耗能力。一般來說，連接鍵的形式包括通縫、素砼連接鍵、預制分割板等。由分體柱的相關理論和試驗結果表明，分體柱方法雖然并沒有怎么改變柱的抗剪力，只是稍微降低了柱的抗彎力，然而，柱的延展性和變形力均有明顯的提升，柱的破壞也由剪切破壞轉變為彎曲破壞，實現了短柱變“長”的構想，使短柱的抗震性能得到提升，尤其是剪跨比不大于1．5的超短柱，且該種方法在工程的實際建設中也己經在應用。

2．3鋼骨砼柱

鋼骨及外包砼一起構成鋼骨砼柱，鋼骨截面通常為焊接拼制鋼板而成的或是直接扎成的十字形、口字形、工字形等。相較于鋼結構而言，鋼骨砼柱其外包輪能夠起到避免鋼構件出現局部扭曲變形的問題，使柱的剛度得到提升，鋼構件平面的扭轉彎曲力得到明顯的改善，充分發揮出鋼材強度的作用。鋼骨砼結構的有效利用，相較于普通鋼結構而言，其節約了將近一半以上的鋼材。另外，外包輪還使結構具有更好的耐久耐火能力。相較于鋼筋砼結構來說，因鋼骨輪有鋼骨的作用，其承載力得到了極大的提升，柱的截面尺寸被有效地降低，鋼骨的邊緣和箍筋很好的約束了砼，增強了其延展性，且由于鋼骨塑性較好，柱子的延性和耗能力得到了有效的提髙。因鋼骨輪柱兼具鋼和砼的特性，其截面尺寸較小，重量輕，延展性好，技術指標和經濟指標優越等，若能將鋼骨砼柱應用于高層或超高層其鋼筋砼下方一定位置處，將會使柱截面尺寸大大的被減小，而使高層建筑的抗震性能得到顯著的提升。

3結語

由于短柱的延性差，當發生地震時，很容易形成剪切破壞，而使建筑結構受到損害，嚴重的甚至會出現坍塌，影響了建筑物功能的發揮。解決高層建筑結構設計種的短柱問題是十分必要的，而解決短柱問題的前提就是對短柱進行準確的判定，本文提出了短柱判定的相關依據，以供參考。為解決短柱問題，筆者認為應有效應用復合螺旋箍筋、分體柱、鋼骨砼柱等方法，以使高層建筑結構中存在的短柱其延性得到改善和增強，確保建筑結構的穩定性，增強高層建筑的抗震性能，進而充分發揮出高層建筑的使用功能，促進我國建筑行業實現更好更快的發展。

作者：夏奎 單位：重慶源道建筑規劃設計有限公司