论高层建筑抗震设计及加固措施

王红琰

摘要: 我国建筑行业的快速发展,国家建筑行业方面的规范和标准不断更新和提高,人们对建筑的使用功能不断提出新的要求,本文对高层建筑抗震设计等问题的阐述，并提出了相应的抗震措施。

关键词: 高层建筑; 抗震设计; 问题处理；加固设计；加固措施

Abstract: the rapid development of the construction industry in our country, the national construction industry norms and standards of update and improve, people to building the use function of the continuing to set new requirements, this paper the aseismic design of high-rise building the problems such as paper, and puts forward the corresponding seismic measures.

Keywords: high building; Seismic design; Dealing with problems; Reinforcement design; Reinforcement measures

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：

1 短柱的正确判定

根据规程规定, 柱净高H 与截面高度h 之比H/ h ≤4 为短柱, 工程界许多工程技术人员也都据此来判定短柱。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 = 0.15VH , 则λ=M/ Vh = 0.15VH/ Vh = 0.15H/ h ≤2 , 由此即得H/ h ≤4。但是, 对于高层建筑, 梁、柱线刚度比较小,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λt =Mt/ Vh ≠λb =Mb/ Vh 。此时, 应采用哪一个截面的剪跨比来判断框架柱是不是属于短柱呢? 笔者认为, 应该采用框架柱上、下端截面中剪跨比的较大值, 即取λ= max (λt , λb) 。其理由如下: 框架柱的受力情况有如一根受有定值轴压力的连续梁,柱高Hn 相当于连续梁的剪跨a , 已有的试验研究结果表明: 对于剪跨a 不变的连续梁, 当截面上、下配置的纵筋相同时, 剪切破坏总是发生在弯矩较大的区段; 对于框架柱, 临界斜裂缝也总是发生在弯矩较大的区段。事实上, 在柱高Hn 或连续梁剪跨a 的范围内,最大剪跨比是出现在弯矩较大区段上的。钢筋混凝土构件的抗剪承载力是随剪跨比λ增大而降低的。所以, 同样条件下, 弯矩较大区段的截面抗剪承载力要比弯矩较小区段的小, 在荷载作用下, 如果发生剪切破坏, 就只能是在弯矩较大区段上。用来判断框架柱是否属于短柱的剪跨比λ当然应是可能发生剪切破坏截面的剪跨比λ。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(1)判定短柱:Hn/ h ≤2/ yn (1)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 = 015 , 式(1) 即成为Hn/ h ≤4 ; 当反弯点在柱上端截面时, Ψ = 0 , yn = 1 , 式(1) 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(1) 判断短柱。在施工图设计阶段, 可根据电算结果作进一步判断。

2 改善短柱抗震性能的措施

2.1 使用复合螺旋箍筋

高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和”强剪弱弯”要求的, 柱端的抗弯承载力也是应该满足”强柱弱梁”要求的。对于短柱, 只要符合”强剪弱弯”和”强柱弱梁”的要求, 是能够做到使其不发生剪切型破坏的。因此, 使用复合螺旋箍筋来提高柱子的抗剪承载力, 改善对混凝土的约束作用, 能够达到改善短柱抗震性能的目的。

2.2 采用分体柱

由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多, 在地震作用下往往是因剪坏而失效, 其抗弯强度不能完全发挥。因此, 可人为地削弱短柱的抗弯强度, 使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度, 这样, 在地震作用下, 柱子将首先达到抗弯强度, 从而呈现出延性的破坏状态。人为削弱抗弯强度的方法, 可以在柱中沿竖向设缝将短柱分为2 或4 个柱肢组成的分体柱, 分体柱的各柱肢分开配筋。在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接键, 以增强它的初期刚度和后期耗能能力。

2.3 采用钢骨混凝土柱

钢骨混凝土柱由钢骨和外包混凝土组成。钢骨通常采用由钢板焊接拼制或直接扎制而成的工字形、口字形、十字形截面。与钢结构相比, 钢骨混凝土柱的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲, 提高柱的整体刚度, 显著改善钢构件出平面扭转屈曲性能, 使钢材的强度得以充分发挥。采用钢骨混凝土结构, 一般可比钢结构节约钢材达50 %以上。

3 常用的加固设计思路及具体加固措施

(1)针对抗震鉴定结论,根据建筑结构不同体系及不同特点,在抗震加固时宜从以下几个方面来考虑具体的加固方法: 对于原有结构体系存在明显不合理的情况,条件许可时可采用增设构件的方法予以改善,否则采取能同时提高承载力和变形能力的方法,使整体抗震能力满足要求; 对于需要提高承载力或结构整体刚度的情况,可以增设构件,扩大原截面,设置套箍等方法;对于结构的整体性连接不符合抗震要求的情况,可以以提高变形能力为思路;对于局部构造不符合要求时, 可进行局部处理或改变传力途径,使地震作用由增设的构件承担,从而保护局部薄弱构件;对于次要的非结构构件不符合抗震要求的情况,可仅对可能倒塌伤人的部位加以处理。(2)多层砖混结构,在鉴定时容易出现很多明显或不太明显的不满足要求的现象,如结构体系不是很明确,传力路线不清晰; 结构整体性差, 连接薄弱; 横墙间距过大, 不满足规范要求,承载力不足;房屋宽度不满足要求;窗间墙长度不够等。

根据以上思路, 对于多层砖混结构, 常用的加固措施可采用以下几种:①减层降高(砖混结构抗震的主要构件就是砖墙,而砖墙本身存在抗剪差、变形小、延性差的缺点,地震中易于破坏。随房屋层数增加及高度增大,地震反应也随之加剧);②设置夹板墙(夹板墙可采取单面或双面加固,有钢筋网水泥砂浆夹板墙与钢筋混凝土夹板墙之分。夹板墙与顶棚或楼板要连接, 楼层上、下钢筋应尽量拉通,两侧与原墙和被加固墙体均要有可靠连接);③砖砌门窗洞口(当门窗洞口较多、较大时对建筑结构的抗震性能削弱过大,封堵原有洞口可以提高其抗震能力);④压力灌浆(主要是针对砖墙已产生裂缝影响美观且影响到强度时,可采用水玻璃砂浆等材料进行灌缝修补);⑤壁柱及圈梁(观浇混凝土附壁柱、圈梁以及内墙拉杆形成整体,成为外包框架,即使不设柱仅设圈梁,也可大大提高其整体抗震性能);⑥钢拉杆(主要是对内墙需增设圈梁而无法设置时,可用钢拉杆代替圈梁)。

(3)虽然在砖混结构加固设计及具体施工中有很多可操作的措施, 但是在实际过程中有很多问题需要妥善处理,而这些问题往往在实际设计与施工过程中被人忽视,如果不加以重视,抗震加固的作用就会被削弱,甚至可能出现更加不利于结构抗震的情况。如:① 圈梁与伸缩缝的处理( 后加圈梁在伸缩缝处应断开, 保证伸缩缝的作用,同时在缝两侧分别闭合,方能达到抗震目的) ;②后加壁柱的钢筋搭接(后加壁柱必须设基础, 伸出的主筋不应断在同一截面上,搭接长度也应满足规范要求);③避免破坏或损坏原有结构(在加固施工中对原有墙体及各部分结构应避免或减少损伤,特别穿楼板或砌体开孔,应凿洞或打眼,不得破坏原有钢筋,且砌体开孔应尽量减少震动) ;④新旧墙体接槎处理(新旧墙体、混凝土接槎部位,应先用清水清洗干净, 施工后加强养护,以保证新老结构形成整体) 。

4结束语

我国是世界上地震灾害最严重的国家之一;因此, 在高层建筑抗震设计中应根据工程的具体情况, 尽量采用上述新结构、新技术, 来避免短柱脆性破坏问题的发生。

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