对高层建筑结构设计中提高短柱抗震措施的探讨

石铁军 王萍

摘要：当按剪跨比λ判定柱子不是短柱时, 按一般框架柱的抗震要求采取构造措施即可; 确为短柱, 就应当尽量提高短柱的承载力, 减小短柱的截面尺寸, 采取各种有效措施提高短柱的延性, 避免因为短柱问题所引发的破坏, 从而改善短柱的抗震性能。本文探讨了高层建筑结构设计中提高短柱抗震的措施。

关键词：高层建筑；结构设计；提高；短柱；抗震措施

中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：

众所周知，我国属地震多发的国家，随着经济的全球化发展，高层建筑将会势如破竹地成为城市建设的主体。而高层建筑中的主要受力构件———柱子，在地震荷载的作用下能否承受得住脆性剪切破坏，成为建筑物倒塌与否的关键。因此，如何改善柱子特别是短柱的抗震性能成为钢筋混凝土结构加固亟待解决的一个问题。

一、“短柱”判定

我国建筑抗震设防的目标是“小震不裂，中震可修，大震不倒”。中震相当于我们地震烈度区划图中给出的50 年超越概率10％的烈度值，这里用I 表示。这时小震用I－1.55 表示，大震就用I＋I 表示，小震的地震动峰加速度为中震的1/3，而大震的峰加速度为中震的4～6 倍。《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》都规定，采用剪跨比来判断短柱。剪跨比是反映柱截面所承受的弯矩与剪力相对大小的一个参数，表示为λ＝M/Vh，其中M、V 分别指柱截面的弯矩和剪力，h 为柱截面有效高度。当λ＜2 时，称为短柱；当λ＜1.5 时，称为超短柱。

二、短柱的破坏形式

短柱一般有剪切型和粘结型两种破坏类型, 它们的破坏形式如下:

1、 剪切受压破坏。在荷载作用下, 水平弯曲裂缝斜向发展, 形成斜裂缝。如果箍筋较强, 斜裂缝不会迅速开展, 但在弯剪作用下,压区混凝土剪切错动, 混凝土挤碎而丧失承载能力。

2、剪切受拉破坏。剪跨比较小且配箍率较低的构件, 在受拉纵筋屈服以后, 随着荷载反复次数的增加或变形加大, 可能突然产生一条宽度较大的主斜裂缝, 箍筋很快达到屈服, 柱子被剪坏, 承载能力急剧下降。

3、剪切斜拉破坏。斜裂缝往往沿柱对角线出现, 箍筋达到屈服甚至被拉断, 承载能力突然下降, 但主筋未屈服。

实际上, 构件的最终破坏可能是几种破坏状态的综合反映, 有时其中某一种比较突出而明显, 有时两种破坏状态同时发生。以上几种破坏状态极限承载力不同, 极限变形能力也不同。房屋能否做到“中震可修、大震不倒”的设防要求, 在很大程度上取决于柱的延性大小。

三、高层建筑结构设计中提高短柱抗震的措施

1、 选择合适的基础方案

基础设计应根据工程地质条件, 上部结构类型及荷载分布,相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析, 选择经济合理的基础方案。设计时宜最大限度地发挥地基的潜力,必要时还应进行地基变形验算。基础设计应有详尽的地质勘察报告,对一些缺地质报告的小型建筑也应进行现场查看和参考邻近建筑资料。一般情况下,同一结构单元不宜采用两种不同的类型。

2、合理选择结构方案

一个成功的设计必须选择一个经济合理的结构方案, 即要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。结构体系应受力明确,传力简捷,同一结构单元不宜混用不同结构体系,地震区应力求平面和竖向规则。总之,必须对工程的设计要求、地理环境、材料供应、施工条件等情况进行综合分析,并与建筑、水、暖、电等专业充分协商,在此基础上进行结构选型,确定结构方案,必要时还应进行多方案比较,择优选用。

3、 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，改善对砼的约束作用，能够达到改善短柱抗震性能的目的。

4、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。一般，连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素砼连接键等形式。对分体柱工作形态的理论分析和试验研究表明：采用分体柱的方法虽然使柱子的抗剪承载力基本不变，抗弯承载力稍有降低，但是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，从而实现了短柱变“长柱”的设想，有效地改善了短柱尤其是剪跨比λ≤ 1.5 的超短柱的抗震性能。分体柱方法已在实际工程中得到应用。

5、采用钢骨砼柱

钢骨砼柱由钢骨和外包砼组成。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，钢骨砼柱的外包砼可以防止钢构件的局部屈曲，提高柱的整体刚度，显著改善钢构件处平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。采用钢骨砼结构，一般可比钢结构节约钢材达5 0 % 以上。此外，外包砼增加了结构的耐久性和耐火性。与钢筋砼结构相比，由于配置了钢骨，使柱子的承载力大大提高，从而有效地减小柱截面尺寸；钢骨翼缘与箍筋对砼有很好的约束作用，砼的延性得到提高，加上钢骨本身良好的塑性，使柱子具有良好的延性及耗能能力。

由于钢骨砼柱充分发挥了钢与砼两种材料的特点，具有截面尺寸小，自重轻，延性好以及优越的技术经济指标等特点，如果在高层或超高层钢筋砼结构下部的若干层采用钢骨砼柱，可以大大减小柱的截面尺寸，显著改善结构的抗震性能。

6、采用钢管砼柱

钢管砼是由砼填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍砼的一种特殊形式。由于钢管内的砼受到钢管的侧向约束，使得砼处于三向受压状态，从而使砼的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，砼特别是高强砼的延性得到显著改善。同时，钢管既是纵筋，又是横向箍筋，其管径与管壁厚度的比值至少都在9 0 以下，相当于配筋率至少都在4.6% 以上，这远远超过抗震规范对钢筋砼柱所要求的最小配筋率限值。由于钢管砼的抗压强度和变形能力特佳，即使在高轴压比条件下，仍可形成在受压区发展塑性变形的“压铰”，不存在受压区先破坏的问题，也不存在像钢柱那样的受压翼缘屈曲失稳的问题。因此，从保证控制截面的转动能力而言，无需限定轴压比限值。因为按照规定，钢管砼单肢柱的承载力可按公式③计算。公式③：N ≤φ 1 φ e N 0 。该式中，θ =faAa／ fcAc称为套箍指标，0.3 ≤θ≤ 3。由式③可以看出，当选用了高强砼和合适的套箍指标θ后，柱子的承载力可大幅度提高，通常柱截面可比普通钢筋砼柱减小一半以上，消除了短柱并具有良好的抗震性能。

总而言之, 诸多措施来改变短柱的抗震性能最终不外乎改变构件的承载能力和变形能力。因为建筑物的抗震性能主要取决于结构吸收地震能量的能力, 这种能力是由其承载力和变形能力的乘积决定的, 因而改变构件抗震性能必须从提高承载力和变形能力入手。当按剪跨比λ判定柱子不是短柱时, 按一般框架柱的抗震要求采取构造措施即可; 确为短柱, 就应当尽量提高短柱的承载力, 减小短柱的截面尺寸, 采取各种有效措施提高短柱的延性, 避免因为短柱问题所引发的破坏, 从而改善短柱的抗震性能。

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