高层建筑设计中短柱的判定及处理

何竞锋

摘 要 ：随着我国经济的高速发展，特别是珠江三角洲，高层、超高层建筑如雨后春笋层出不穷。珠江三角洲地处我国的七度抗震设防区，为贯彻执行《中华人民共和国防震减灾法》并实行预防为主的方针，重视高层结构的抗震设计是非常必要的。而“短柱”问题是结构工程师经常碰到却没引起足够重视的问题。下面我将结合个人及我们设计院的一些经验，简单谈谈高层建筑设计中短柱的判定及处理。

关键词：高层建筑；设计；短柱

建筑抗震设计对结构构件有明确的延性要求。轴压比和剪跨比是影响构件的两个因素，也是一对互成矛盾的因素。在层高一定的前提下，为提高延性而降低轴压比则会导致柱截面增大，而柱截面增大会导致剪跨比减小，剪跨比的减小又一定程度降低了构件的延性。在高层建筑中，为满足对柱轴压比限值的要求，柱子的截面比较大，在结构的底部往往形成短柱，甚至超短柱。例如层高较低的设备层，竖向荷载很大的地下车库，底部形成大空间的框支转换层等都很容易出现短柱。无论是实验，还是实际震害(比如汶川的5.12大地震)，均反映出短柱的延性很差，尤其是超短柱，在破坏前几乎没有明显的变形过程。短柱在遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震作用时，很容易发生剪切破坏而造成倒塌，无法满足“中震可修，大震不到”的设计准则。

既然短柱是抗震中的不利构件，而设计人员需要对短柱采取一些构造措施处理，就首先要能正确判定什么样的柱属于短柱。对于对短柱的定义，新旧高层设计规范并不完全一致。《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》JGJ-91（以下简称旧《高规》）规定柱净高H与截面长边尺寸h之比小于4（H/h≤4）的柱为短柱。而《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002（以下简称新《高规》）规定柱的剪跨比小于2（λ＝M/Vh≤2）的柱为短柱。这两者有什么异同点，下面作个简单的分析。旧《高规》按H/h≤4来判定短柱的主要依据是：（1）λ＝M/Vh≤2；（2）考虑到框架柱的反弯点大都靠近柱的中点，故近似取M＝0.5VH，则λ＝M/Vh＝0.5VH/Vh=0.5H/h≤2，由此得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，由于受柱底嵌固程度的影响，及梁对柱的约束弯距较小，反弯点的高度有时会比柱高的一半高得多，甚至会不出现反弯点。此时就不能用H/h≤4来判定短柱，而应该按短柱的力学定义--剪跨比λ＝M/Vh≤2来判定。可见，H/h≤4来判定短柱只是在某些特定条件下适用，这也是很多工程设计人员经常未引起重视的地方。

当按剪跨比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。当按剪跨比判定柱子属于短柱时，接下来就需要采取一些必要的改善短柱抗震性能的措施。下面将从受力、构造、新材料等方面来阐述。

1 使用（连续）复合螺旋箍筋

《高规》对（连续）复合螺旋箍筋的定义为：复合螺旋箍筋指由螺旋箍与矩形、多边形、圆形箍或拉筋组成的箍筋；连续复合螺旋箍指全部螺旋箍由同一根钢筋加工而成的箍筋。高层建筑框架柱的抗剪能力应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求，柱端的抗弯承载力也应满足“强柱弱梁”的要求。对于短柱，如果符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求，是能够做到使其不发生剪切破坏的。因此，使用（连续）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。

2 采用分体柱

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，造成其抗弯强度不能充分发挥。如果人为地削弱短柱的抗弯强度，使其抗弯强度相应的低于其抗剪强度，这样，在地震作用下，柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现延性的破坏形态。人为削弱柱的抗弯强度的方法，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，分体柱的柱肢分开配筋。为增强分体柱的初期刚度，在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接键，一般连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素砼等形式。对分体柱工作形态的理论分析和试验研究都表明：采用分体柱的方法使柱子的抗剪承载力基本不变，抗弯承载力稍有降低，但可使柱子的变形能力和延性均得到较显著的提高，其破坏形态也由剪切型转化为弯曲型。从而实现短柱变“长柱”的设想，有效地改善了短柱，尤其是超短柱（λ＝M/Vh≤1.5）的抗震性能。

3 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轧制而成的工字钢。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，显著改善钢构件出平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。此外，外包砼还起到保护层的作用，增强了构件的耐久性和耐火性。与钢筋砼结构相比，由于配置了钢骨，柱子的承载力大大提高，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。因为钢骨砼柱能充分发挥钢与砼两种材料的优点，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底部采用钢骨砼柱，可以大大减小柱的截面尺寸，显著改善柱子抗震性能。

4 采用钢管砼柱

钢管砼柱是由砼填入薄壁圆形钢管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，通常采用的管径与壁厚的比值至少都在90以下，这相当于配筋率至少都在4.6%以上，这远远大于抗震规范对钢筋砼柱所需要的最小配筋率限值。由于钢管砼柱的抗压强度和变形能力很佳，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”，不会出现受压区先破坏的问题，也不会出现像钢柱那样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，无需限制轴压比限值。

5 采用隔震、消能减震设计

隔震、消能减震设计是国家推广的对抗震有较高要求时适合采用的新技术、新工艺，在比较多地震的国家日本就应用很多，而且技术也日趋成熟。比如在基础上部与柱底之间设置橡胶支座隔震，可以通过这种柔性连接消耗地震能量，降低地震对上部结构的地震作用，比当地的设防烈度降低一度设防，降低短柱的地震等级，在柱的截面、配筋相同的条件下既可以达到较好的抗震性能，又可以取得较好的经济效益。

综合以上的分析可得出：（1）判别是不是短柱，不宜按H/h≤4来判定，而应按λ＝M/Vh≤2来判定；（2）当已判定某柱为短柱时，可以使用（连续）复合螺旋箍筋，采用分体柱等技术手段来有效的改善短柱的抗震性能；（3）采用钢骨砼、钢管砼的新结构形式，减小柱截面尺寸，提高柱的承载力，避免在结构底部出现短柱，尤其是超短柱；（4）采用隔震、消能减震设计来减小地震对短柱的作用。因此，在高层建筑抗震设计中应根据工程的具体情况，尽量采用新技术、新结构来避免短柱脆性破坏问题的发生。