高層建筑抗震設計中短柱問題的處理措施

冀婧

（大同市規(guī)劃設計院 山西大同 037006）

引言

建筑物的層高較高時，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(xiàn)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(fā)生，很容易形成剪切破壞，而使得結構出現(xiàn)破壞甚至坍塌，建筑物的使用功能滿足不了實際需求。

1 高層建筑抗震設計中短柱問題

在高層建筑抗震設計過程中，柱凈高與截面高度比值不大于4，可以判定為短柱。通常情況下高層建筑由于梁比較小，尤其是底部的嵌固結構會導致梁對柱產生的約束彎距較小，這樣也會造成柱的反彎點要高出柱中點。甚至很多的高層建筑柱中不存在反彎點。在這種情況下對于短柱的判斷無法按照柱凈高和截面高度的比值小于4，所以可以采用剪跨比是否小于2。

如果框架柱反彎點距離柱中點比較遠，柱的上下截面彎矩值會出現(xiàn)異常，其剪跨比也會存在差異。如果要判斷該處是否為短柱，必須要選擇上下截面最大剪跨比進行判斷。如果發(fā)現(xiàn)連續(xù)剪跨不變而截面出現(xiàn)上下配置的縱筋相同，則彎矩較大的區(qū)域很容易發(fā)生剪切破壞的問題。在框架柱中彎矩較大的區(qū)域也會因為臨界斜裂縫而產生問題。從當前實際情況來看，柱高或者出現(xiàn)連續(xù)梁剪跨區(qū)間彎曲越大則區(qū)域剪跨比越大。隨著剪跨比的增加混凝土的抗剪能力也會變小，導致承受能力因為剪切破壞的影響造成彎曲變大，所以必須要根據(jù)截面的最大剪跨比判斷是否存在短柱的問題。一般情況下，在高層建筑內框架柱的反彎點會比較高，由于柱上截面彎矩值比下截面彎矩值要小，所以經過判斷下截面的剪跨比要小于2。另一種辦法則是根據(jù)判斷柱凈高與截面高度比是否為小于2的反彎點高度，如果反彎點在柱中點，則柱凈高應該與截面高度比值小于4，如果反彎點在柱上段，則柱凈高與截面高度比值應該小于2，如果不存在反彎點則截面最大剪跨比，應該按照小于2的方式來判斷。實際工程中，一般在下列幾個位置容易出現(xiàn)短柱：結構錯層標高差較小處；層高較小的設備層處；結構底層柱截面較大處；框架柱間砌筑不到頂?shù)母魤Α⒋伴g墻以及樓梯間休息平臺處；采用柱下獨立基礎或條形基礎，基礎頂?shù)交A梁處等等。同時還應注意計算的方向，柱子的截面高度應選取沿填充墻平面內的柱子截面尺寸，而不是選取柱子截面尺寸最大值。

延性是指結構，構件或構件的某個截面從屈服開始到達最大承載能力或到達以后而承載能力還沒有明顯下降期間的變形能力。延性好的結構，構件或構件的某個截面的后期變形能力大，在達到屈服或最大承載能力狀態(tài)后仍能吸收一定量的能量，能避免脆性破壞的發(fā)生。所以可以通過提高短柱的延性來提高短柱的抗震性能。由于延性的主要影響因素是軸壓比與剪跨比，所以在保證短柱截面承載力設計過程中可以通過控制這兩個比值來提高短柱的延性。

2 高層建筑抗震設計中短柱問題的處理措施

2.1 使用復合螺旋箍筋

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(fā)生的。因而，復合螺旋箍筋能夠使柱的抗剪力得到提升，并使對棍凝土的制約作用得到改善，以增強短柱的抗震能力。

2.2 使用分體柱

高層建筑中的短柱抗彎性比抗剪性更好，但是地震所造成的破壞多為剪切破壞，因此在地震中抗彎性無法充分發(fā)揮作用。為提高高層建筑的抗震性，可人為削弱短柱的抗彎強度，使其抗彎強度低于抗剪強度。在地震發(fā)生時，短柱的抗彎強度先達到極限，剪切破壞被轉換為延性破壞。在削弱短柱的抗彎強度時，可以采用分柱體的辦法：①沿豎直方向在短柱中設置縫隙，將短柱分成2～4個柱肢組成的分體柱；②對分體柱的各柱肢進行配筋；③為提高分體柱的初期剛度和后期耗能能力，可以將一些連接鍵設置在分體柱的各柱肢之間。連接鍵一般包括通縫、素混凝土連接鍵、預制分隔板、預應力摩擦阻尼等形式。利用分體柱的方法雖然沒有改變短柱的抗剪強度，而且還使短柱的抗彎強度稍稍降低，但實踐表明，其變形能力和延展性都被明顯提高，柱受到的破壞也由剪切破壞轉變?yōu)閺澢茐?，實現(xiàn)了短柱變?yōu)椤伴L柱”的構想，提高了短柱的抗震性能，尤其是剪跨比小于1.5的超短柱更為明顯。

2.3 使用鋼骨混凝土柱

在進行鋼結構和鋼骨混凝土柱的比較時，鋼骨混凝土柱的外包混凝土在防止部分鋼構件出現(xiàn)屈曲情況的方面上一直起著很大作用，也能在大幅度地提高柱的剛度性，進而大大改善鋼所有部件扭轉屈曲性能，充分發(fā)揮鋼材的強度。鋼骨混凝土結構的利用，不僅可以比鋼結構多節(jié)約50%以上的鋼材材料。而且，外包混凝土還可以使結構更加的耐用，甚至對熱度的忍耐性也會增強。在進行鋼筋混凝土結構的比較時，鋼骨的配置，能提高了柱子的承載力，從而使柱截面尺寸得到有效控制。此外，鋼骨翼緣能夠很好約束混凝土，進而能提高混凝土的延展性，再加上鋼骨本來就擁有良好的塑造性，能切實保障柱子延伸性及耗能能力。由于融合了鋼與混凝土兩種材料好的方面，鋼骨混凝土柱擁有截面尺寸小，自重較輕，延性好以及指標優(yōu)秀等特點，假如鋼骨混凝土柱能運用在高層或超高層鋼筋混凝土結構下部的若干層，可以很大程度上縮小柱尺寸，從而讓結構的抗震性能有質的飛越。

3 結語

本文針對高層建筑結構抗震設計中短柱問題存在的問題進行深入的分析，從而有效提高高層建筑結構的抗震性能，所以必須利用現(xiàn)代化的抗震加固技術措施來改變高層建筑結構的堅固性，提高高層建筑結構的抗震等級。