對高層建筑結構設計中提高短柱抗震措施的探討

石鐵軍 王萍

摘要：當按剪跨比λ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; 確為短柱, 就應當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, 避免因為短柱問題所引發(fā)的破壞, 從而改善短柱的抗震性能。本文探討了高層建筑結構設計中提高短柱抗震的措施。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；提高；短柱；抗震措施

中圖分類號：TU318文獻標識碼： A 文章編號：

眾所周知，我國屬地震多發(fā)的國家，隨著經濟的全球化發(fā)展，高層建筑將會勢如破竹地成為城市建設的主體。而高層建筑中的主要受力構件———柱子，在地震荷載的作用下能否承受得住脆性剪切破壞，成為建筑物倒塌與否的關鍵。因此，如何改善柱子特別是短柱的抗震性能成為鋼筋混凝土結構加固亟待解決的一個問題。

一、“短柱”判定

我國建筑抗震設防的目標是“小震不裂，中震可修，大震不倒”。中震相當于我們地震烈度區(qū)劃圖中給出的50 年超越概率10％的烈度值，這里用I 表示。這時小震用I－1.55 表示，大震就用I＋I 表示，小震的地震動峰加速度為中震的1/3，而大震的峰加速度為中震的4～6 倍?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》和《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》都規(guī)定，采用剪跨比來判斷短柱。剪跨比是反映柱截面所承受的彎矩與剪力相對大小的一個參數，表示為λ＝M/Vh，其中M、V 分別指柱截面的彎矩和剪力，h 為柱截面有效高度。當λ＜2 時，稱為短柱；當λ＜1.5 時，稱為超短柱。

二、短柱的破壞形式

短柱一般有剪切型和粘結型兩種破壞類型, 它們的破壞形式如下:

1、 剪切受壓破壞。在荷載作用下, 水平彎曲裂縫斜向發(fā)展, 形成斜裂縫。如果箍筋較強, 斜裂縫不會迅速開展, 但在彎剪作用下,壓區(qū)混凝土剪切錯動, 混凝土擠碎而喪失承載能力。

2、剪切受拉破壞。剪跨比較小且配箍率較低的構件, 在受拉縱筋屈服以后, 隨著荷載反復次數的增加或變形加大, 可能突然產生一條寬度較大的主斜裂縫, 箍筋很快達到屈服, 柱子被剪壞, 承載能力急劇下降。

3、剪切斜拉破壞。斜裂縫往往沿柱對角線出現, 箍筋達到屈服甚至被拉斷, 承載能力突然下降, 但主筋未屈服。

實際上, 構件的最終破壞可能是幾種破壞狀態(tài)的綜合反映, 有時其中某一種比較突出而明顯, 有時兩種破壞狀態(tài)同時發(fā)生。以上幾種破壞狀態(tài)極限承載力不同, 極限變形能力也不同。房屋能否做到“中震可修、大震不倒”的設防要求, 在很大程度上取決于柱的延性大小。

三、高層建筑結構設計中提高短柱抗震的措施

1、 選擇合適的基礎方案

基礎設計應根據工程地質條件, 上部結構類型及荷載分布,相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進行綜合分析, 選擇經濟合理的基礎方案。設計時宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力,必要時還應進行地基變形驗算?；A設計應有詳盡的地質勘察報告,對一些缺地質報告的小型建筑也應進行現場查看和參考鄰近建筑資料。一般情況下,同一結構單元不宜采用兩種不同的類型。

2、合理選擇結構方案

一個成功的設計必須選擇一個經濟合理的結構方案, 即要選擇一個切實可行的結構形式和結構體系。結構體系應受力明確,傳力簡捷,同一結構單元不宜混用不同結構體系,地震區(qū)應力求平面和豎向規(guī)則。總之,必須對工程的設計要求、地理環(huán)境、材料供應、施工條件等情況進行綜合分析,并與建筑、水、暖、電等專業(yè)充分協(xié)商,在此基礎上進行結構選型,確定結構方案,必要時還應進行多方案比較,擇優(yōu)選用。

3、 使用復合螺旋箍筋

高層建筑框架柱的抗剪能力是應該滿足剪壓比限值和“強剪弱彎”要求的，柱端的抗彎承載力也是應該滿足“強柱弱梁”要求的。對于短柱，只要符合“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的要求，是能夠做到使其不發(fā)生剪切型破壞的。因此，使用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。

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

人為削弱抗彎強度的方法，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，分體柱的各柱肢分開配筋。在組成分體柱的柱肢之間可以設置一些連接鍵，以增強它的初期剛度和后期耗能能力。一般，連接鍵有通縫、預制分隔板、預應力摩擦阻尼器、素砼連接鍵等形式。對分體柱工作形態(tài)的理論分析和試驗研究表明：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)由剪切型轉化為彎曲型，從而實現了短柱變“長柱”的設想，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。分體柱方法已在實際工程中得到應用。

5、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，顯著改善鋼構件處平面扭轉屈曲性能，使鋼材的強度得以充分發(fā)揮。采用鋼骨砼結構，一般可比鋼結構節(jié)約鋼材達5 0 % 以上。此外，外包砼增加了結構的耐久性和耐火性。與鋼筋砼結構相比，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。

由于鋼骨砼柱充分發(fā)揮了鋼與砼兩種材料的特點，具有截面尺寸小，自重輕，延性好以及優(yōu)越的技術經濟指標等特點，如果在高層或超高層鋼筋砼結構下部的若干層采用鋼骨砼柱，可以大大減小柱的截面尺寸，顯著改善結構的抗震性能。

6、采用鋼管砼柱

鋼管砼是由砼填入薄壁圓形鋼管內而形成的組合結構材料，是套箍砼的一種特殊形式。由于鋼管內的砼受到鋼管的側向約束，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，其管徑與管壁厚度的比值至少都在9 0 以下，相當于配筋率至少都在4.6% 以上，這遠遠超過抗震規(guī)范對鋼筋砼柱所要求的最小配筋率限值。由于鋼管砼的抗壓強度和變形能力特佳，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動能力而言，無需限定軸壓比限值。因為按照規(guī)定，鋼管砼單肢柱的承載力可按公式③計算。公式③：N ≤φ 1 φ e N 0 。該式中，θ =faAa／ fcAc稱為套箍指標，0.3 ≤θ≤ 3。由式③可以看出，當選用了高強砼和合適的套箍指標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。

總而言之, 諸多措施來改變短柱的抗震性能最終不外乎改變構件的承載能力和變形能力。因為建筑物的抗震性能主要取決于結構吸收地震能量的能力, 這種能力是由其承載力和變形能力的乘積決定的, 因而改變構件抗震性能必須從提高承載力和變形能力入手。當按剪跨比λ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; 確為短柱, 就應當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, 避免因為短柱問題所引發(fā)的破壞, 從而改善短柱的抗震性能。

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