高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中改善短柱抗震性能的應(yīng)用

摘 要：隨著建筑建設(shè)的快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)向著更高更復(fù)雜的方向發(fā)展，這要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者不能單純地盲目去進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，僅僅套規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其設(shè)計(jì)效果并不是最佳的。布置結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件時(shí)應(yīng)當(dāng)布置于主要承受荷載作用的位置，以充分地發(fā)揮構(gòu)件的作用；使得結(jié)構(gòu)中各個受力構(gòu)件的布置考慮其可能受到的各種荷載作用。 同時(shí)布置受力構(gòu)件應(yīng)當(dāng)兼顧構(gòu)件傳力特點(diǎn)出發(fā)，盡可能地避免構(gòu)件傳力的復(fù)雜性，力求使構(gòu)件傳力簡單。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；改善短柱；抗震；應(yīng)用

中圖分類號：U5T3.73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）12-0027-02

引言

在層高一定的情況下，為提高延性而降低軸壓比則會導(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。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，首先要正確判定短柱，然后對短柱采取一些構(gòu)造措施或處理，提高短柱的延性和抗震性能。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)受力性能

對于一個建筑物的最初的方案設(shè)計(jì)，建筑師考慮更多的是它的空間組成特點(diǎn)，而不是詳細(xì)地確定它的具體結(jié)構(gòu)。建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩(wěn)定和水平方向的穩(wěn)定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的構(gòu)件所組成，因此結(jié)構(gòu)必須能將它本身的重量傳至地面，結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于地面的，而建筑設(shè)計(jì)的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關(guān)系，所以，在建筑設(shè)計(jì)的方案階段，就必須對主要的承重柱和承重墻的數(shù)量和分布做出總體設(shè)想[1]。對于低層、多層和高層建筑，豎向和水平向結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)基本原理都是相同的，但是，隨著高度的不斷增加，豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計(jì)的控制因素，其原因有兩個：較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或井筒；側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。與豎向荷載相比，側(cè)向荷載對建筑物的效應(yīng)不是線性增加的，而隨著建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有條件相同時(shí)，在風(fēng)荷載作用下，建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比，而其頂部的側(cè)向位移與高度的四次方成正比，地震的作用效應(yīng)更加明顯。在高層建筑中，問題不僅僅是抗剪，而更重要的是整體抗彎和抵抗變形，可見，高層建筑的結(jié)構(gòu)受力性能與低層建筑有很大的差異。

另外，高層建筑的層數(shù)多，重心高，即使設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)注意質(zhì)量和剛度的對稱布置，由于偶然偏心等原因，結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動也是可能的再者。地震也存在轉(zhuǎn)動分量，在地面轉(zhuǎn)動分量作用下，即使十分對稱的結(jié)構(gòu)也會發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。尤其是建筑層數(shù)很多時(shí)，上部各層的剛度偏心造成扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對下層逐漸積累。對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響[2]。因此，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度宜自下而上逐漸減小，變化均勻，連續(xù)，不要突變。當(dāng)出現(xiàn)了豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)時(shí)，我們應(yīng)考慮多種因素的精確分析方法，最好進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，合理確定軟弱樓層的塑性集中變形，采取增大樓層結(jié)構(gòu)延性等措施，提高其變形能力。同時(shí)，高層建筑的抗水平力構(gòu)件應(yīng)沿房屋周邊布置，以便能提供足夠大的扭轉(zhuǎn)力矩構(gòu)件沿周邊布置形成空間結(jié)構(gòu)后，也可提供較大的抗傾覆力矩。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗震概念設(shè)計(jì)的重要性

2.1 高層建筑設(shè)計(jì)尤其是在高層建筑抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)非常重視概念設(shè)計(jì)

這是因?yàn)楦邔咏ㄖY(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，發(fā)生地震時(shí)的不確定性，人們對地震時(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)認(rèn)識的局限性與模糊性， 高層結(jié)構(gòu)計(jì)算尤其是抗震分析計(jì)算的精確性，材料性能與施工安裝時(shí)的變異性以及其他不可預(yù)測的因素，致使設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果（尤其是經(jīng)過實(shí)用簡化后的計(jì)算結(jié)果）可能和實(shí)際相差較大，甚至有些作用效應(yīng)至今尚無法定量計(jì)算出來。因此在設(shè)計(jì)中，雖然分析計(jì)算是必須的，也是設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，但往往不能滿足結(jié)構(gòu)安全性、可靠性的要求，不能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2 重視概念設(shè)計(jì)

從某種意義上講，概念設(shè)計(jì)甚至比計(jì)算更為重要[3]。概念設(shè)計(jì)是通過無數(shù)的事故分析，歷年國內(nèi)外震害分析，模糊試驗(yàn)的定量定性分析以及長期以來國內(nèi)外的設(shè)計(jì)與使用經(jīng)驗(yàn)分析、歸納、總結(jié)出來的。而這些原則、規(guī)定與方法往往是基礎(chǔ)性、整體性、全局性和關(guān)鍵性的。有些概念設(shè)計(jì)的要求，為整個設(shè)計(jì)設(shè)置了兩道防線，保證了建筑物的安全、可靠。合理的結(jié)構(gòu)方案是安全可靠的優(yōu)秀設(shè)計(jì)的基本保證。

汶川特大地震發(fā)生后，通過對震后建筑進(jìn)行分析與研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)布置方案合理、符合概念設(shè)計(jì)要求的建筑物的破壞形式都是比較理想的，這給我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員很大的啟示和鼓舞。今后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分利用概念設(shè)計(jì)確定結(jié)構(gòu)方案，并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，還是能大大降低地震對建筑物的損壞程度的。

3 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。

3.1 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，改善對混凝土的約束作用，能夠達(dá)到改善短柱抗震性能的目的。

3.2 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、素混凝土連接鍵等形式。

3.3 采用鋼骨混凝土柱

與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼骨混凝土柱的外包混凝土可以防止鋼構(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。采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，一般可比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材達(dá)50%以上。此外，外包混凝土增加了結(jié)構(gòu)的耐久性和耐火性。與鋼筋混凝土結(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；鋼骨翼緣與箍筋對混凝土有很好的約束作用，混凝土的延性得到提高，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。

3.4 采用鋼管混凝土柱

鋼管混凝土是由混凝土填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)材料，是套箍混凝土的一種特殊形式。

由于鋼管內(nèi)的混凝土受到鋼管的側(cè)向約束，使得混凝土處于3向受壓狀態(tài)，從而使混凝土的抗壓強(qiáng)度和極限壓應(yīng)變得到很大的提高，混凝土特別是高強(qiáng)混凝土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)范對鋼筋混凝土柱所要求的最小配筋率限值。由于鋼管混凝土的抗壓強(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)動能力而言，無需限定軸壓比限值。

參考文獻(xiàn)

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