高層建筑抗震設計中短柱問題的處理措施

潘 艷 曾麒中 羅冠洲

（中機國際工程設計研究院有限責任公司 湖南省長沙市雨花區(qū) 410007）

引言

高層建筑結構作為當前我國最常見的建筑結構，是促進城市現(xiàn)代化建設的重要方式。由于高層建筑結構選材廣泛、施工技術成熟、造價低廉，在當前建筑行業(yè)應用廣泛。但是由于高層建筑結構非常容易受到地震的影響而出現(xiàn)破壞，對人民群眾生命和財產(chǎn)造成威脅。短柱問題在高層建筑中常常會出現(xiàn)，由于短柱截面較大，剪跨度比較小，延性低，很容易在地震發(fā)生時發(fā)生脆性破壞。

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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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?、窗間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 如何改善短柱抗震性能

2.1 配置復合螺旋箍筋

高層建筑框架柱的剪力必須要滿足剪壓比限值，同時要提高抗彎能力。由于柱段的抗彎承載能力符合強柱弱梁的標準，對于短柱來說只要其同時能夠滿足強剪弱彎以及強柱弱梁的條件，就能有效約束剪切破壞引起的結構位移，復合螺旋箍筋的整體連續(xù)特性，能夠有效保證柱子的抗剪承載力，改進混凝土的約束力從而能夠顯著提高構件的承載力及抗破壞能力，進而達到超越普通混凝土構件的抗震效果。

2.2 分體柱

高層建筑中短柱抗彎性能要比抗剪性能更好，但是因為在地震下經(jīng)常會呈現(xiàn)剪切破壞，所以在地震中抗彎性能無法有效的提高高層建筑的抗震質量，為了有效避免高層建筑在地震中受到破壞，可以通過削弱短柱的抗彎強度來增加抗剪強度，當?shù)卣鸢l(fā)生時，短柱的抗彎強度會首先達到極限，剪切破壞會變?yōu)檠有云茐?，而通過削弱短柱增強抗彎強度時，可以利用分柱體的辦法。首先沿著豎直方向，在短柱中設置縫隙，將短柱分割成2～4個柱肢。其次在分體柱的各柱之中進行配筋，提高分體柱的初期剛度和后期性能。通過利用分體柱的方式，盡管沒有能夠有效改變短柱的抗剪強度，使得短柱的抗剪強度下降。但是經(jīng)過實踐證明，分體柱的變形能力和延展性能都有明顯提高，而短柱所受到破壞也會轉變?yōu)閺澢茐?。實現(xiàn)了短柱變長柱的效果，而且增加了短柱的抗震性能。

2.3 鋼骨混凝土柱

鋼骨混凝土柱由鋼骨和外包混凝土兩部分共同組成，鋼骨通常由鋼板焊接構成或者直接通過壓制的方式，形成工字、口字或者十字的截面，外包混凝土主要是能夠提高短柱的整體剛度，保證鋼構件平面的彎扭曲承載力，避免出現(xiàn)局部屈曲的情況，同時保證鋼材能夠充分發(fā)揮出強度的性能。鋼骨混凝土的鋼材要比一般的鋼結構使用更少，提高了建筑結構的綠色環(huán)保水平，由于外包混凝土部分屬于耐久性與耐火性的材料，提高了整個鋼骨混凝土柱的使用壽命。同時配置鋼骨的混凝土要比一般的鋼筋混凝土強度更高，提高了柱子的承載力，保證柱子截面的尺寸變小，而鋼骨混凝土和箍筋能夠更好的約束混凝土，保證其延展性得到增強。鋼骨混凝土柱兼具鋼與混凝土的優(yōu)點，不僅截面小、重量輕、延性好，而且造價成本低廉，符合建筑生命周期的建筑要求。提高了建筑整體的抗震能力。

3 提高高層建筑的抗震性能

3.1 合理設置高層建筑結構的縱橫墻

與建筑平面和立面相類似，縱橫墻作為高層建筑結構的主要構件，對于高層建筑結構抗震性能也有著非常關鍵的作用，在通常情況下，必須要保證縱橫墻的設置受力均勻，并且能夠通過縱橫墻共同承擔高層建筑結構的荷載。從目前來看，高層建筑結構設置依然會采取單一的縱墻或者橫墻的方式來承重。這樣不僅會導致整個空間的承重性能較差，而且還影響了整個建筑結構的抗震能力。為此在進行墻體布置的過程中，必須要合理的將縱墻與橫墻進行適當搭配，避免了墻體變形，從而提高多層建柱高層建筑結構的一體性。同時通過合理設置縱橫墻還能夠提高高層建筑結構的抗彎、抗剪性能。如果高層建筑結構存在特殊的情況，也就是縱墻不能夠有效貫通，則可以通過縱橫墻交接的地方設置配筋的方式。同時也要注意不能夠在縱墻或者橫墻設置較大的洞口。

3.2 提升高層建筑結構的整體性

一般來說，具整體性較高的結構具有較高的抗震性能。由于高層建筑結構一體性設置較差，很容易影響整體建筑的抗震性。所以通常情況下利用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的方式，可以提高高層建筑結構水平剛度。同時利用現(xiàn)澆鋼筋混凝土的方式，還能夠避免出現(xiàn)平滑散落的問題。針對高層建筑結構能夠有效的提升墻體的剛度，并且實現(xiàn)力的水平傳播，并且認真按照相關的設計方案和設計要求進行施工。

3.3 增加墻體面積、提高砂漿強度

通過對于前幾次比較大的地震災害進行調查研究，我們能夠發(fā)現(xiàn)，如果多層磚混結構，房屋建筑的墻體面積越大則砂漿的強度等級越高。這樣高層建筑結構的抗震能力效果越好。所以必須要積極提高墻體面積并且增加砂漿強度，從而有效避免地震對高層建筑結構的破壞。根據(jù)相關實驗表明，如果六層磚混結構房屋建筑最主要的就是影響一層和二層，而上面幾層的房屋則不會受到地震的影響，所以在實際多層磚混結構房屋建筑的設計過程中，必須要加強對于一層二層等底層的建筑結構的墻體承載面積，提高砂漿的強度等級。

3.4 新型抗震技術

隨著技術水平的不斷提升，更多復合材料能夠在高層建筑結構之中應用。一方面，新型復合結構自身的質量非常輕，并且厚度非常小。同時在針對材料進行加固之前不需要針對材料進行預加工，減少加工成本。另外復合材料的強度非常高，同時具有良好的耐腐蝕性和抗壓能力。復合材料的模型可以定做，不受到施工條件的限制，對于施工的優(yōu)勢產(chǎn)生的影響較少。

4 結論

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。

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