高層建筑設計中短柱的判定及處理

何競鋒

摘 要 ：隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，特別是珠江三角洲，高層、超高層建筑如雨后春筍層出不窮。珠江三角洲地處我國的七度抗震設防區(qū)，為貫徹執(zhí)行《中華人民共和國防震減災法》并實行預防為主的方針，重視高層結(jié)構的抗震設計是非常必要的。而“短柱”問題是結(jié)構工程師經(jīng)常碰到卻沒引起足夠重視的問題。下面我將結(jié)合個人及我們設計院的一些經(jīng)驗，簡單談談高層建筑設計中短柱的判定及處理。

關鍵詞：高層建筑；設計；短柱

建筑抗震設計對結(jié)構構件有明確的延性要求。軸壓比和剪跨比是影響構件的兩個因素，也是一對互成矛盾的因素。在層高一定的前提下，為提高延性而降低軸壓比則會導致柱截面增大，而柱截面增大會導致剪跨比減小，剪跨比的減小又一定程度降低了構件的延性。在高層建筑中，為滿足對柱軸壓比限值的要求，柱子的截面比較大，在結(jié)構的底部往往形成短柱，甚至超短柱。例如層高較低的設備層，豎向荷載很大的地下車庫，底部形成大空間的框支轉(zhuǎn)換層等都很容易出現(xiàn)短柱。無論是實驗，還是實際震害(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，在破壞前幾乎沒有明顯的變形過程。短柱在遭受本地區(qū)設防烈度或高于本地區(qū)設防烈度的地震作用時，很容易發(fā)生剪切破壞而造成倒塌，無法滿足“中震可修，大震不到”的設計準則。

既然短柱是抗震中的不利構件，而設計人員需要對短柱采取一些構造措施處理，就首先要能正確判定什么樣的柱屬于短柱。對于對短柱的定義，新舊高層設計規(guī)范并不完全一致?！朵摻罨炷粮邔咏ㄖY(jié)構設計與施工規(guī)程》JGJ-91（以下簡稱舊《高規(guī)》）規(guī)定柱凈高H與截面長邊尺寸h之比小于4（H/h≤4）的柱為短柱。而《高層建筑混凝土結(jié)構技術規(guī)程》JGJ3-2002（以下簡稱新《高規(guī)》）規(guī)定柱的剪跨比小于2（λ＝M/Vh≤2）的柱為短柱。這兩者有什么異同點，下面作個簡單的分析。舊《高規(guī)》按H/h≤4來判定短柱的主要依據(jù)是：（1）λ＝M/Vh≤2；（2）考慮到框架柱的反彎點大都靠近柱的中點，故近似取M＝0.5VH，則λ＝M/Vh＝0.5VH/Vh=0.5H/h≤2，由此得H/h≤4。但是，對于高層建筑，梁、柱線剛度比較小，特別是底部幾層，由于受柱底嵌固程度的影響，及梁對柱的約束彎距較小，反彎點的高度有時會比柱高的一半高得多，甚至會不出現(xiàn)反彎點。此時就不能用H/h≤4來判定短柱，而應該按短柱的力學定義--剪跨比λ＝M/Vh≤2來判定?？梢?，H/h≤4來判定短柱只是在某些特定條件下適用，這也是很多工程設計人員經(jīng)常未引起重視的地方。

當按剪跨比判定柱子不是短柱時，按一般框架柱的抗震要求采取構造措施即可。當按剪跨比判定柱子屬于短柱時，接下來就需要采取一些必要的改善短柱抗震性能的措施。下面將從受力、構造、新材料等方面來闡述。

1 使用（連續(xù)）復合螺旋箍筋

《高規(guī)》對（連續(xù)）復合螺旋箍筋的定義為：復合螺旋箍筋指由螺旋箍與矩形、多邊形、圓形箍或拉筋組成的箍筋；連續(xù)復合螺旋箍指全部螺旋箍由同一根鋼筋加工而成的箍筋。高層建筑框架柱的抗剪能力應該滿足剪壓比限值和“強剪弱彎”要求，柱端的抗彎承載力也應滿足“強柱弱梁”的要求。對于短柱，如果符合“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的要求，是能夠做到使其不發(fā)生剪切破壞的。因此，使用（連續(xù)）復合螺旋箍筋來提高柱子的抗剪承載力，改善對砼的約束作用，能夠達到改善短柱抗震性能的目的。

2 采用分體柱

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，造成其抗彎強度不能充分發(fā)揮。如果人為地削弱短柱的抗彎強度，使其抗彎強度相應的低于其抗剪強度，這樣，在地震作用下，柱子將首先達到抗彎強度，從而呈現(xiàn)延性的破壞形態(tài)。人為削弱柱的抗彎強度的方法，可以在柱中沿豎向設縫將短柱分為2或4個柱肢組成的分體柱，分體柱的柱肢分開配筋。為增強分體柱的初期剛度，在組成分體柱的柱肢之間可以設置一些連接鍵，一般連接鍵有通縫、預制分隔板、預應力摩擦阻尼器、素砼等形式。對分體柱工作形態(tài)的理論分析和試驗研究都表明：采用分體柱的方法使柱子的抗剪承載力基本不變，抗彎承載力稍有降低，但可使柱子的變形能力和延性均得到較顯著的提高，其破壞形態(tài)也由剪切型轉(zhuǎn)化為彎曲型。從而實現(xiàn)短柱變“長柱”的設想，有效地改善了短柱，尤其是超短柱（λ＝M/Vh≤1.5）的抗震性能。

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軋制而成的工字鋼。與鋼結(jié)構相比，鋼骨砼柱的外包砼可以防止鋼構件的局部屈曲，提高柱的整體剛度，顯著改善鋼構件出平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能，使鋼材的強度得以充分發(fā)揮。此外，外包砼還起到保護層的作用，增強了構件的耐久性和耐火性。與鋼筋砼結(jié)構相比，由于配置了鋼骨，柱子的承載力大大提高，加上鋼骨本身良好的塑性，使柱子具有良好的延性及耗能能力。因為鋼骨砼柱能充分發(fā)揮鋼與砼兩種材料的優(yōu)點，具有截面尺寸小，自重輕，延性好以及優(yōu)越的技術經(jīng)濟指標等特點，如果在高層或超高層鋼筋砼結(jié)構底部采用鋼骨砼柱，可以大大減小柱的截面尺寸，顯著改善柱子抗震性能。

4 采用鋼管砼柱

鋼管砼柱是由砼填入薄壁圓形鋼管而形成的組合結(jié)構材料，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，使得砼處于三向受壓狀態(tài)，從而使砼的抗壓強度和極限壓應變得到很大的提高，砼特別是高強砼的延性得到顯著改善。同時，鋼管既是縱筋，又是橫向箍筋，通常采用的管徑與壁厚的比值至少都在90以下，這相當于配筋率至少都在4.6%以上，這遠遠大于抗震規(guī)范對鋼筋砼柱所需要的最小配筋率限值。由于鋼管砼柱的抗壓強度和變形能力很佳，即使在高軸壓比條件下，仍可形成在受壓區(qū)發(fā)展塑性變形的“壓鉸”，不會出現(xiàn)受壓區(qū)先破壞的問題，也不會出現(xiàn)像鋼柱那樣受壓翼緣屈曲失穩(wěn)的問題。因此，從保證控制截面的轉(zhuǎn)動能力而言，無需限制軸壓比限值。

5 采用隔震、消能減震設計

隔震、消能減震設計是國家推廣的對抗震有較高要求時適合采用的新技術、新工藝，在比較多地震的國家日本就應用很多，而且技術也日趨成熟。比如在基礎上部與柱底之間設置橡膠支座隔震，可以通過這種柔性連接消耗地震能量，降低地震對上部結(jié)構的地震作用，比當?shù)氐脑O防烈度降低一度設防，降低短柱的地震等級，在柱的截面、配筋相同的條件下既可以達到較好的抗震性能，又可以取得較好的經(jīng)濟效益。

綜合以上的分析可得出：（1）判別是不是短柱，不宜按H/h≤4來判定，而應按λ＝M/Vh≤2來判定；（2）當已判定某柱為短柱時，可以使用（連續(xù)）復合螺旋箍筋，采用分體柱等技術手段來有效的改善短柱的抗震性能；（3）采用鋼骨砼、鋼管砼的新結(jié)構形式，減小柱截面尺寸，提高柱的承載力，避免在結(jié)構底部出現(xiàn)短柱，尤其是超短柱；（4）采用隔震、消能減震設計來減小地震對短柱的作用。因此，在高層建筑抗震設計中應根據(jù)工程的具體情況，盡量采用新技術、新結(jié)構來避免短柱脆性破壞問題的發(fā)生。