浅析抗震设计中短柱问题及其防治

蔡继伦

（贵州大学土木建筑工程学院，贵州 贵阳 550003）

在5·12汶川大地震后，在调查中发现房屋中大量出现短柱的破坏，这是因为短柱的延性很差，很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌，无法满足“中震可修，大震不倒”的设计准则。为了避免短柱发生脆性破坏的问题，在用PKPM等设计软件进行设计时，由于目前的软件设计尚不完善，在进行电算时，对短柱不能进行自动判别，必须正确判定短柱，设计人员需要利用电算结果对短柱另行设计，对各种短柱采取一些特殊构造措施或处理，提高短柱的延性和抗震性能。

1 短柱形成原因

（1）在高层、超高层建筑中，由于设置设备层，层高矮而柱截面大形成短柱。

（2）在高层、超高层建筑中设置转换层，由于转换构件（如转换梁）过高，使得柱子的净高变低，从而形成短柱。

（3）在建筑物中存在较大错层部位，如超过梁高的错层。

（4）长短不同的柱（或桩）将坡地架空成平台后再在其上修建建筑物，或间或单元将基础设置于不同标高处，使开间或单元标高在各层相差一定高度的结构体系，以及坡地的车道等都容易形成短柱。

（5）在钢筋混凝土框架结构的设计中，柱网布局不合理，使得少量的框架柱承受的竖向荷载过大，为了控制柱的轴压比，在一定的范围内而采取较大的柱截面；还有因柱混凝土强度采用的等级偏低而导致柱的截面偏大等。

（6）在原有钢筋混凝土框架房屋的抗震加固中，不适当地采用外包钢筋混凝土，使得柱的净高与截面高度比小于4而形成短柱。

（7）结构由于受力要求在框架柱间设层间梁的部位。如：楼梯间设平台梁、门洞上设的雨篷梁，使框架的柱变成了短柱。

（8）柱子与地梁的间距处理不好时，易在柱基础顶面与地梁高度范围内形成短柱。

（9）填充墙等非结构构件砌筑不当，容易形成短柱。如外纵墙墙体与框架柱的连接，采用了刚性连接；而且外纵墙又多为窗下裙墙，其刚性连接使得框架柱在窗台标高处形成了一个刚性支承而形成短柱。地震时，填充墙部分倒塌形成短柱。此外，填充墙砌不到顶也可能形成短柱。

2 短柱的正确判定方法

《建筑抗震设计规范》GB50011－2001规定，柱净高H与截面高度h之比H/h0≤4为短柱。工程界许多工程技术人员也都据此来判定短柱，这个方法有一定局限性。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ＝M/Vh≤2的柱才是短柱，而柱净高与截面高度之比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来判定的主要依据是：①λ＝M/Vh≤2；②考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点，取M＝0.5 VH，则λ＝M/Vh＝0。5 VH/Vh＝0，5H/h≤2，由此即得H/h≤4。但是，对于高层建筑，梁、柱线刚度较小，特别是底部几层，由于受柱底嵌固的影响且梁对柱的约束弯矩较小，反弯点的高度会比柱高的一半高得多，甚至不出现反弯点，此时不宜按H/h≤4来判定短柱，而应按短柱的力学定义——剪跨比λ＝M/Vh≤2来判定才是正确的。

框架柱的反弯点不在柱中点时，柱子上、下端截面的弯矩值大小就不一样，即Mt≠Mb。因此，框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一样的，即λ t＝Mt/Vh≠λ b＝Mb/Vh。一般情况下，在高层建筑的底部几层，框架柱的反弯点都偏上，即Mb＞Mt。此时，可按式Hn/h≤2/yn（1）判定短柱。式中，yn：n层柱的反弯点高度比，根据几何关系，可得：yn＝1/（1＋Ψ），其中，Ψ＝Mt/Mb，0≤Ψ≤1；Hn：n层柱的净高。式（1）具有一般性。当反弯点在柱中点时：Ψ＝1，yn＝0.5，式（2）即成为Hn/h≤4；当反弯点在柱上端截面时，Ψ＝0，yn＝1，式（2）即成为Hn/h≤2；如果框架柱上不出现反弯点，就应采用最大弯矩作用截面的剪跨比λ＝M/Vh≤2来判断短柱。当需要初步判断框架柱是否属于短柱时，可先按D值法确定柱子的反弯点高度比yn，然后按式（2）判断短柱。

3 短柱的设计

由于目前的软件设计尚不完善，在进行电算时，对短柱不能进行自动判别，短柱需要设计人员利用电算结果单独取出来进行设计。

3.1 短柱的承载力计算

（1）受剪截面应满足下式要求：

VC≤1/γRE（0.15βcfcbh0）

参见GB50010－2002《混凝土结构设计规范》（以下简称《砼规》），满足上式是保证截面最小尺寸要求，避免剪力较大时，柱可能发生斜压破坏。

（2）考虑地震作用组合的短柱受剪承载力验算：

VC≤1/γRE[（1.05/λ＋1）ft bh0＋fyv（Asv/s）h0＋0.056N]VC≤1/γRE[（1.05/λ＋1）ft bh0＋fyv（Asv/s）h0－0.2N]参见《砼规》11.4.9、11.4.10

其中，λ＝Hn/2h0或 M/Vh0，λ≤1.0 取λ＝1；λ＞3.0 取λ＝3.0；式中其他参数的含义及取值详见《砼规》。

3.2 抗震构造措施

在此仅将短柱需要特别注意的地方指出。

（1）纵筋：宜对称配置，且每侧以配筋率不宜大于 1.2%（一级），《抗规》6.3.9。

（2）箍筋：直径及间距要求：最低四级抗震λ≤2时，直径应不小于8 mm；箍筋应全高加密，间距及直径满足《抗规》的要求且间距不大于100 mm，肢距不大于200 mm；体积配箍率要求：体积配箍率不应小于1.2%，9 °时不应小于1.5%且应满足《抗规》第6.3.12条要求。

（3）轴压比：当剪跨比λ不大于2的柱，应比高规表6.4.2的限值降低0.05，当剪跨比λ小于1.5时，应专门研究并采取特殊构造措施。

4 短柱问题的防治

根据短柱的形成原因，本文提出以下措施：

（1）对由于填充墙砌筑不当对框架柱约束形成的短柱，墙体宜采用轻质墙或外墙挂板，并可采用填充墙与主体结构“柔性连接”的方法。在砌体与框架连接处采用一些柔性材料进行连接，以减小砌体对柱的约束。同时避免因墙砌不到顶而形成的短柱。

（2）在工程选址时，如有可能，应尽量避免选在坡度较大的山地上。

（3）避免在同一楼层中出现少量短柱。因为少数短柱的侧移刚度远大于长柱的侧移刚度，在水平地震作用下吸收较大的水平剪力，地震时这些短柱可能遭受严重破坏并可能引起同楼层柱各个击破，带来结构的坍塌。

（4）在现有钢筋混凝土框架房屋的抗震加固中，若只有少量柱不满足承载力的要求，可采用外包角钢加扁缀板的方法加固，使柱的承载能力有较大提高而柱截面增大不多，避免形成短柱。

（5）加密箍筋。配置复合箍筋、复合螺旋箍或连续复合矩形螺旋箍可以对核心区混凝土形成良好的约束作用，达到改善延性及提高抗震性能的目的。

（6）提高混凝土等级。短柱的混凝土等级以提高柱的承载力，减小短柱的截面尺寸。但由于高强混凝土本身的延性较差，采用时须慎重或与其他措施配合使用。

（7）增加芯柱。即在柱截面中部增加设置由附加纵向钢筋形成的芯，当附加纵向钢筋的总面积不小于柱截面面积的0.8%时，轴压比限值可增加 0.05，从而减少柱截面、加大剪跨比。《混凝土规范》表11.4.16注5。

（8）采用钢骨混凝土柱技术和钢管混凝土柱技术。在高层或超高层钢筋混凝土结构的下部若干层采用钢骨混凝土柱，充分发挥钢和混凝土两种材料的特点，大大地增强结构的延性，改善结构的抗震性能。

（9）钢筋混凝土分体柱。采用分体柱的方法使柱子的变形能力和延性均得到显著提高，其破坏形态由剪切型转化为弯曲型，有效地改善了短柱尤其是超短柱的抗震性能。

（10）在柱中配置X筋沿柱子纵向配置X对角纵向钢筋，可以承担部分剪力，改善柱子的抗震性能。

5 结束语

本文从汶川大地震等地震灾害调查中，总结出短柱形成的原因，明确了判定短柱的方法，即短柱不宜按H/h0≤4来判定，而应按剪跨比λ＝M/Vh≤2来判定。进行设计时，应避免出现短柱，如果实在无法避免，就要先判断出是否是短柱，如果是短柱，设计人员应根据其特点选出最经济、最合理、最有效的方法来提高结构的抗震性能，达到抗震设防的“三水准”原则。

1 《建筑抗震设计规范》（GB5001l－2002）

2 《混凝土结构设计规范》（GB50010－2002）

3 王丽萍、李英民等.5·12汶川地震典型山地建筑结构房屋震害调查[J].西安建筑科技大学学报，2009（12）：41～6

4 胡德鹿、彭军滨.剪跨比与框－剪结构中的短柱设计[J].陕西建筑，2008