高層建筑抗震設(shè)計(jì)中短柱問題

王德敬

摘要:在層高一定的情況下,為提高延性而降低軸壓比則會(huì)導(dǎo)致柱截面增大,且軸壓比越小截面越大;而截面增大導(dǎo)致剪跨比減小,又降低了構(gòu)件的延性。因此,在高層特別是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,為滿足規(guī)程對(duì)軸壓比限值的要求,柱子的截面往往比較大,在結(jié)構(gòu)底部常常形成短柱甚至超短柱。建筑抗震設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件有明確的延性要求。軸壓比和剪跨比是影響構(gòu)件延性的最主要的兩個(gè)因素,也是一對(duì)互成矛盾的因素。

關(guān)鍵詞:高層;抗震;短柱

圖書館的書庫、層高較低的儲(chǔ)藏室、高層建筑的地下車庫等由于使用荷載大,層高較低,在設(shè)計(jì)中也不可避免地會(huì)出現(xiàn)短柱。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(shí),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(jì)準(zhǔn)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(rèn)為,首先要正確判定短柱,然后對(duì)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

規(guī)程和規(guī)范都規(guī)定,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(gè)值得注意的問題。因?yàn)榇_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,而柱凈高與截面高度之比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(diǎn)大都靠近柱中點(diǎn),取M=0.5VH,則λ=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2,由此即得H/h≤4。但是,對(duì)于高層建筑,梁、柱線剛度比較小,特別是底部幾層,由于受柱底嵌固的影響且梁對(duì)柱的約束彎矩較小,反彎點(diǎn)的高度會(huì)比柱高的一半高得多,甚至不出現(xiàn)反彎點(diǎn),此時(shí)不宜按H/h≤4來判定短柱,而應(yīng)按短柱的力學(xué)定義——剪跨比λ=M/Vh≤2來判定才是正確的。

框架柱的反彎點(diǎn)不在柱中點(diǎn)時(shí),柱子上、下端截面的彎矩值大小就不一樣,即Mt≠M(fèi)b。因此,框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一樣的,即λt=Mt/Vh≠λb=Mb/Vh。此時(shí),應(yīng)采用哪一個(gè)截面的剪跨比來判斷框架柱是不是屬于短柱呢?筆者認(rèn)為,應(yīng)該采用框架柱上、下端截面中剪跨比的較大值,即取λ=max(λt,λb)。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,柱高Hn相當(dāng)于連續(xù)梁的剪跨a,已有的試驗(yàn)研究結(jié)果表明:對(duì)于剪跨a不變的連續(xù)梁,當(dāng)截面上、下配置的縱筋相同時(shí),剪切破壞總是發(fā)生在彎矩較大的區(qū)段;對(duì)于框架柱,臨界斜裂縫也總是發(fā)生在彎矩較大的區(qū)段。

一般情況下,在高層建筑的底部幾層,框架柱的反彎點(diǎn)都偏上,即Mb>Mt。此時(shí),可按式(1)判定短柱:

或Hn/h≤2/yn(1)式中,yn- -n層柱的反彎點(diǎn)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- -n層柱的凈高。

式(1)具有一般性。當(dāng)反彎點(diǎn)在柱中點(diǎn)時(shí),Ψ=1,yn=0.5,式(1)即成為Hn/h≤4;當(dāng)反彎點(diǎn)在柱上端截面時(shí),Ψ=0,yn=1,式(1)即成為Hn/h≤2;如果框架柱上不出現(xiàn)反彎點(diǎn),就應(yīng)采用最大彎矩作用截面的剪跨比λ=M/Vh≤2來判斷短柱。

當(dāng)需要初步判斷框架柱是否屬于短柱時(shí),可先按D值法確定柱子的反彎點(diǎn)高度比yn,然后按式(1)判斷短柱。在施工圖設(shè)計(jì)階段,可根據(jù)電算結(jié)果作進(jìn)一步判斷。

2 改善短柱抗震性能的措施

當(dāng)按剪跨比λ判定柱子不是短柱時(shí),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,減小短柱的截面尺寸,采取各種有效措施提高短柱的延性,改善短柱的抗震性能。

2.1 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(qiáng)剪弱彎”要求的,柱端的抗彎承載力也是應(yīng)該滿足“強(qiáng)柱弱梁”要求的。對(duì)于短柱,只要符合“強(qiáng)剪弱彎”和“強(qiáng)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(duì)砼的約束作用,能夠達(dá)到改善短柱抗震性能的目的。

2.2 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(qiáng)度不能完全發(fā)揮。因此,可人為地削弱短柱的抗彎強(qiáng)度,使抗彎強(qiáng)度相應(yīng)于或略低于抗剪強(qiáng)度,這樣,在地震作用下,柱子將首先達(dá)到抗彎強(qiáng)度,從而呈現(xiàn)出延性的破壞狀態(tài)。

人為削弱抗彎強(qiáng)度的方法,可以在柱中沿豎向設(shè)縫將短柱分為2或4個(gè)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(qiáng)它的初期剛度和后期耗能能力。一般,連接鍵有通縫、預(yù)制分隔板、預(yù)應(yīng)力摩擦阻尼器、素砼連接鍵等形式。

對(duì)分體柱工作性態(tài)的理論分析和試驗(yàn)研究表明:采用分體柱的方法雖然使柱子的抗剪承載力基本不變,抗彎承載力稍有降低,但是使柱子的變形能力和延性均得到顯著提高,其破壞形態(tài)由剪切型轉(zhuǎn)化為彎曲型,從而實(shí)現(xiàn)了短柱變“長柱”的設(shè)想,有效地改善了短柱尤其是剪跨比λ≤1.5的超短柱的抗震性能。分體柱方法已在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。

2.3 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扎制而成的工字形、口字形、十字形截面。

與鋼結(jié)構(gòu)相比,鋼骨砼柱的外包砼可以防止鋼構(gòu)件的局部屈曲,提高柱的整體剛度,顯著改善鋼構(gòu)件出平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能,使鋼材的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。采用鋼骨砼結(jié)構(gòu),一般可比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材達(dá)50%以上。此外,外包砼增加了結(jié)構(gòu)的耐久性和耐火性。與鋼筋砼結(jié)構(gòu)相比,由于配置了鋼骨,使柱子的承載力大大提高,從而有效地減小柱截面尺寸;鋼骨翼緣與箍筋對(duì)砼有很好的約束作用,砼的延性得到提高,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。

2.4 采用鋼管砼柱

鋼管砼是由砼填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)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(qiáng)度和極限壓應(yīng)變得到很大的提高,砼特別是高強(qiáng)砼的延性得到顯著改善。同時(shí),鋼管既是縱筋,又是橫向箍筋,其管徑與管壁厚度的比值至少都在90以下,這相當(dāng)于配筋率至少都在4.6%以上,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過抗震規(guī)范對(duì)鋼筋砼柱所要求的最小配筋率限值。由于鋼管砼的抗壓強(qiáng)度和變形能力特佳,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”,不存在受壓區(qū)先破壞的問題,也不存在像鋼柱那樣的受壓翼緣屈曲失穩(wěn)的問題。因此,從保證控制截面的轉(zhuǎn)動(dòng)能力而言,無需限定軸壓比限值。規(guī)程規(guī)定,鋼管砼單肢柱的承載力可按式(2)計(jì)算:

N≤φ1φeN0(2)

式中,

θ=faAa/fcAc稱為套箍指標(biāo),0.3≤θ≤3;

φ1,φe的物理意義及計(jì)算方法見規(guī)程。

由式(2)可以看出,當(dāng)選用了高強(qiáng)砼和合適的套箍指標(biāo)θ后,柱子的承載力可大幅度提高,通常柱截面可比普通鋼筋砼柱減小一半以上,消除了短柱并具有良好的抗震性能。

3小結(jié)

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(1)來判別。當(dāng)需要初步判別是否屬于短柱時(shí),可先按D值法確定反彎點(diǎn)高度比yn,然后按本文式(1)來判別。

當(dāng)按剪跨比λ判定柱子不是短柱時(shí),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,減小短柱的截面尺寸,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;采用鋼骨砼、鋼管砼等新結(jié)構(gòu),可顯著提高柱的承載力,減小柱截面尺寸,避免在結(jié)構(gòu)下部出現(xiàn)短柱尤其是超短柱。因此,在高層建筑抗震設(shè)計(jì)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。