高層建筑抗震設計中短柱問題的處理

許玉璽

鄭州大學綜合設計研究院

引言

    眾所周知，短柱的延性很差，尤其是超短柱幾乎沒有延性，在建筑遭受本地區設防烈度或高于本地區設防烈度的地震影響時，很容易發生剪切破壞而造成結構破壞甚至倒塌，無法滿足“中震可修，大震不倒”的設計準則。為了避免短柱脆性破壞問題在高層建筑中發生，筆者認為，首先要正確判定短柱，然后對短柱采取一些構造措施或處理，提高短柱的延性和抗震性能。

1、短柱的正確判定

    一般認為，柱凈高H與截面高度h之比H/h≤4為短柱，工程界許多工程技術人員也都據此來判定短柱，這是一個值得注意的問題。因為確定是不是短柱的參數是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ=M/Vh≤2的柱才是短柱，而柱凈高與截而高度之比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來判定的主要依據是：①λ=M/Vh≤2；②考慮到框架柱反彎點大都靠近柱中點．取M=0.vh，則λ=M/Vh=0.5 VH／Vh0.5H/h≤2，由此即得H/h≤4。但是對于于高層建筑，梁、柱線剛度比較小，特別是底部幾層,于受柱底嵌同的影響且梁對柱的約束彎矩較小，反彎點的高度會比柱高的一半高得多，甚至不出現反彎點，此時不宜按H／h≤4來判定短柱，而應按短柱的力學定義一剪跨比λ=M／Vh≤2來判定才是正確的。

    框架柱的反彎點不在柱中點時，柱子上、下端截面的彎矩值大小就不一樣，即M ≠M bo 因此，框架柱上、下端截而的剪跨比大小也是不一樣的，即λt=Mt/Vh≠λh=Mh/V h。此時,應采用哪一個截而的剪跨比來判斷框架柱是不是屬于短柱呢?筆者認為，應該采用框架柱上、下端截而中剪跨比的較大值，即取λ=m a x(λt，λh)。其理由如下：框架柱的受力情況有如一根受有定值軸壓力的連續梁，住高Hn相當于連續梁的剪跨a，已有的實驗研究結果表明：對于剪跨a不變的連續梁，當截而上、下配置的縱筋相同時，剪切破壞總是發生在彎矩較大的區段；對于框架柱，臨界斜裂縫也總是發生在彎矩較大的區段。

    事實上，在柱高Hn或連續梁剪跨a的范圍內，最大剪跨比是出現在彎矩較大區段上的。鋼筋混凝土構件的抗剪承載力是隨剪跨比入增大而降低的。所以，同樣條件下，彎矩較大區段的截面抗剪承載力要比彎矩較小區段的小，在荷載作用下，如果發生剪切破壞，就只能是在彎矩較大區段。用來判斷框架柱是否屬于短柱的剪跨比入當然應是可能發生剪切破壞截面的剪跨比。一般情況下．在高層建筑的底部幾層，框架柱的反彎點都偏上，即Mb>Mt，。此時，司按式(1)或式(2)判定短柱：λ=M／Vh≤2或Hn≤2／yn式中，yn為n層柱的反彎點高度比，根據幾何關系，可得：yn=1／(1+ψ)，其中，ψ=Mt／Mb，0≤ψ≤1；Hn為n層柱的凈高。

    當反彎點在柱中點時，ψ=l，yn=0．5，式(2)即成為H n／h≤4；當反彎點在柱上端截面時ψ=0，yn=l，式(2)即成為Hn／h≤2；如果框架柱上不出現反彎點，

就應采用最大彎矩作用截面的剪跨比λ=M／V h≤2來判斷短柱。當需要初步判斷框架柱是否扁于短柱時，可先按D值法確定柱子的反彎點高度比yn，然后按式(2)判斷短柱。在施工圖設計階段，可根據電算結果作進一步判斷。

2、改善短柱抗震性能的措施

    當按剪跨比入判定柱子不是短柱時，按一般框架柱的抗震要求采取構造措施即可；確定為短柱后，就應當盡量提高短柱的承載力，減小短柱的截而尺寸，采取各種有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。

    (1)使用復合螺旋箍筋。高層建筑框架柱的抗剪能力是應該滿足剪壓比限值和“強剪弱彎”要求的，柱端的抗彎承載力也是應該滿足“強柱弱梁”要求的。對于短柱，只要符合“強剪弱彎，，和“強柱弱梁”的要求，是能夠做到使其不發生剪切型破壞的。因此，使用復合螺旋箍筋來提高柱子的抗剪承載力，改善對混凝土的約束作用，能夠達到改善短柱抗震性能的目的。

    (2)采用分體柱。由于短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多，在地震作用下往往是因剪壞而失效，其抗彎強度不能完全發揮。因此，可人為地削弱短柱的抗彎強度，使抗彎強度相應于或略低于抗剪強度。這樣，在地震作用下柱子將首先達到抗彎強度，從而呈現出延性的破壞狀態。

    人為削弱抗彎強度的方法，可以在柱中沿豎向設縫將短柱分為2或4個柱肢組成的分體柱，分體柱的各柱肢分開配筋。在組成分體柱的柱肢之間可以設置一些連接鍵，以增強它的初期剛度和后期耗能能力。

3、小結

    (1)確定是不是短柱不宜按H／h≤4來判別，而應按剪跨比λ= M／Vh≤2來判別。一般情況下，可采用本文式(2)來判別。當需要初步判別是否屬于短柱時，可先按D值法確定反彎點高度比yn。，然后按本文式(2)來判別。

    (2)當按剪勢跨比入判定柱子不是短柱時，按一般框架柱的抗震要求采取構造措施即可；確為短柱，就應當盡量提高短柱的承載力，減小短柱的截而尺寸，采取各種有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。使用復合螺旋箍筋，采用分體柱技術均可有效地改善短柱的抗震性能。因此，在高層建筑抗震設計中應根據工程的具體情況，盡量采用上述新結構、新技術，來避免短柱脆性破壞問題的發生。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  尚雯瀟  尹維維 編輯 文徑 審核)