高层建筑抗震设计中短柱问题的处理

陈浩曼

【摘要】文章针对高层建筑抗震设计的短柱问题进行分析，阐述了短柱的破坏机制及受力特点，分析了短柱的正确判定方法，论述了改善短柱抗震性能的有效构造措施及处理方法，为抗震设计中短柱延性和抗震性能的提高提供参考。

【关键词】短柱；延性；抗震性能

前言

在高层建筑设计中，抗震设计要求结构构件必须要有明确的延性，而影响构件延性的关键两个因素是：轴压比和剪跨比。在一定层高的情况下，为提高延性而降低軸压比则会导致柱截而增大，并且轴压比越小截面越大，而截面增大又可能导致剪跨比相对减小，又降低了构件的延性。因此，在高层（特别是超同层）建筑结构设计中，为了满足规程对轴压比限值的要求，柱子的截面往往会比较大，在结构底部常常形成短柱甚至超短柱。在高层的地下储藏室、地下车库等由于使用荷载大，层高较低，在设计中会不可避免的出现短柱。这种高层较低处的超短柱几乎没有延性，为了避免在高层建筑中因短柱脆性破坏的发生，必须要正确判断短柱，对短柱采取必要的构造措施或有效处理，使短柱的延性和抗震性能大幅度提高。

一、短柱的正确判定

建筑工程实践经验和相关理论都规定，柱净高度与截而高度之比为短柱（H/h比值小于等于4）。剪跨比是反映柱截面所承受的弯矩和剪力相对大小的参数，表示为：λ=M/Vh≤2，式中M、V指柱截面的弯矩和剪力，由于框架柱反弯点大多靠近柱中点，取M=0.5VH，则λ=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2，由此可得H/h≤4。然而，高层建筑中，梁与柱线刚度比较小，特别是底层，由于受柱底嵌固的影且梁对柱的约束弯矩较小，反弯点的高度比柱高出一多半，有时不会出现反弯点，这时就不宜按照H/h≤4来判定短柱。应按照短柱的力学定义--剪跨比λ=M/Vh≤2来判定才是正确的。判断短柱，在施工设计时，可根据电算结果作进一步判断。

因短柱的侧移刚度较大，因此在地震作用下，承载的水平剪力也会相应较大，如果调协承担水平力的抗震柱、抗震墙或是水平支撑结构，分担部分水平力，那么就可以减少短柱所承受的剪力，使其抗剪的强度大大高于外力效应，保证短柱预期延性。

二、改善短柱抗震性能的措施

短柱的破坏一般分为剪切受拉破坏、剪切斜拉破坏以及剪切受压破坏。剪切受拉破坏是指剪跨小并且配箍率比较低的构件，构件的抗拉和抗压强度小于抗剪强度，受拉筋屈服后，荷载重力次数反复增加或者变大，主体会产生一条宽度较大的斜裂缝，箍筋达到损伤，柱子被剪坏，承载能力下降；剪切斜拉破坏是指斜裂缝沿柱对角出现，箍筋屈服甚至拉断，承载能力急剧下降，但主筋尚未屈服；剪切受压破坏是指在荷载重力的作用下，水平弯曲的裂缝会斜向发展的现象，如果箍筋强度较大，那么斜裂缝不会快速发展，但在弯剪压力的作用下，受压混凝土区剪切错动，混凝土被挤压破裂，从而丧失了承载能力。当剪跨比确定为短柱后，那么就最大限度提高短柱的承载力，减小短柱的截面，并对提高短柱的延性提高采取各种有效措施，增加短柱的抗震性能。

1、采用分体柱

因为短柱的抗弯承载力要比抗剪承载力大的多，所以在地震情况中，常常是由于抗剪承载力失效的原因，而抗弯承载力不能完全发挥。因此在设计中可削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度略低于抗剪强度，那么，就符合了“剪强弯弱”和“柱强梁弱”的要求，在地震作用下，便可以不发生剪切型破坏，呈现出来的是延性的破坏状态，同时，复合螺箍的使用提高了短柱的抗剪承载力，改善了短柱的抗震性能。

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箍筋，在分体柱之间设置一些连接键，以增强它的初期刚度和后期耗能能力。一般连接键有预制分隔板、素混凝土连接键、通缝、预应力摩擦阻尼器等形式。虽然采用分体柱的方法使柱子的抗剪承载力基本不变，抗弯承载力会小幅度降低，但是，柱子的延性和变性能力都具有明显的提高，震后的破坏状况由剪切形转化为弯曲型，最终实现了短柱变“长柱”的设想，有效地改善了短柱的抗震性能，在当今实际的建筑工程中已经广泛使用分体柱的方法。

2、采用钢骨混凝土柱

钢骨混凝土柱是在高层建筑中为了压缩混凝土柱的截面，将型钢置于柱中，以增强柱子的承载能力。钢骨一般采用由钢板焊接拼制或直接轧制成的口字形、十字形或者工字形等截面，与钢筋混凝土结构相比，钢骨混凝土柱的外包混凝土可以防止内部钢骨的弯曲，提高了柱子的承载力，有效地起到了减小柱截面的尺寸，钢骨翼缘与箍筋对混凝土起到了拢合作用，使得混凝土的作用得到了极大的提高，再加上钢骨自身具有良好的塑性，使短柱有了相当强大的延性和耗能能力。另外，外包的混凝土加强的结构的耐久性和耐火性。采用钢骨混凝土结构设计，可以比钢筋混凝土结构节约钢材达到一半以上，钢骨混凝土短柱能够充分发挥其自身混凝土与钢两种材料的特质，具有截面尺寸小、延性好、自重轻以及优越技术经济指标等等特点，那么，在高层或者超高层建筑的下部采用钢骨混凝土，便可以大大减小短柱的截面，有效的改善了短柱结构的抗震性能。

3、采用钢管混凝土柱

钢管混凝土柱就是把混凝土灌入钢管中并捣实以加大钢管的强度和钢度，这种把混凝土填入钢管形成新型组合的建筑材料，是套箍混凝土的一种特殊形式。由于钢管内的混凝土受到钢管内向约束，促使混凝土三向受压，进而使混凝土的抗压强度和极限压应变得到极大的提高，混凝土的延性从而得到明显改善。混凝土中的钢管既是纵筋，又是横向箍筋，管径与管壁厚度的比值最少在90左右，也就是配筋率至少都在4.6%以上，这样就能够大大超过抗震规范对钢筋混凝土所要求的最小配筋率的限值。由于钢管混凝土的变形能力和抗压强度性能较为突出，即使在高轴压比的条件下，依然可以形成在受压区发展塑性变形的压力。排除了受压区先破坏的问题，更不会发生钢柱那样的受压翼缘屈曲失稳的问题。钢管混凝土柱具有便于施工、承载力高、耐腐蚀等优点，由钢管混凝土柱的力学性和工作原理等方面，显示出了其自身的优势，在实际工程中也得到越来越多的应用。

4、在柱中配置X型钢筋

高层建筑设计中，抗震性能应从外因着手，在X型对角线配置的钢筋在受力计算时分解为水平分力和垂直分力，能够保证柱的弯曲承载力的是垂直分力，承担一部分外来剪力的是水平分力，同时也起到降低柱子的剪压比的作用，有效的改善了短柱的抗震性能。

5、提高短柱的受压承载力

在高层建筑中，增大短柱的受压承载力，可以提高剪跨比、减小短柱截面，最大限度的改善整个建筑结构的抗震能力。提高剪跨比和减小柱面最有效的手段是提高混凝土的抗强抗压的等级，利用高强混凝土的强度来增加柱子的受压承载力，降低轴压比。

三、小结

在高层建筑结构设计过程中，为满足规程对轴压比限值的要求，柱子的截面往往比较大，在结构底部常常形成短柱甚至超短柱。本文通过对短柱的一系列分析和研究，高层建筑或者超高层建筑的短柱问题已有多种解决方法。在实际建筑工程中，当短柱不可避免地出现时，就必须采取各种提高短柱延性的措施，选择最适合、最经济及最有效的方法提高短柱的抗震性能，只有这样才能提高高层建筑整体抗震性能，确保其应用安全可靠性。

参考文献

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