高层建筑抗震设计中短柱问题的处理措施

2018-02-14曾麒中罗冠洲

建材与装饰 2018年28期

潘艳曾麒中罗冠洲

（中机国际工程设计研究院有限责任公司湖南省长沙市雨花区 410007）

引言

高层建筑结构作为当前我国最常见的建筑结构，是促进城市现代化建设的重要方式。由于高层建筑结构选材广泛、施工技术成熟、造价低廉，在当前建筑行业应用广泛。但是由于高层建筑结构非常容易受到地震的影响而出现破坏，对人民群众生命和财产造成威胁。短柱问题在高层建筑中常常会出现，由于短柱截面较大，剪跨度比较小，延性低，很容易在地震发生时发生脆性破坏。

1 高层建筑抗震设计中短柱问题

在高层建筑抗震设计过程中，柱净高与截面高度比值不大于4，可以判定为短柱。通常情况下高层建筑由于梁比较小，尤其是底部的嵌固结构会导致梁对柱产生的约束弯距较小，这样也会造成柱的反弯点要高出柱中点。甚至很多的高层建筑柱中不存在反弯点。在这种情况下对于短柱的判断无法按照柱净高和截面高度的比值小于4，所以可以采用剪跨比是否小于2。

如果框架柱反弯点距离柱中点比较远，柱的上下截面弯矩值会出现异常，其剪跨比也会存在差异。如果要判断该处是否为短柱，必须要选择上下截面最大剪跨比进行判断。如果发现连续剪跨不变而截面出现上下配置的纵筋相同，则弯矩较大的区域很容易发生剪切破坏的问题。在框架柱中弯矩较大的区域也会因为临界斜裂缝而产生问题。从当前实际情况来看，柱高或者出现连续梁剪跨区间弯曲越大则区域剪跨比越大。随着剪跨比的增加混凝土的抗剪能力也会变小，导致承受能力因为剪切破坏的影响造成弯曲变大，所以必须要根据截面的最大剪跨比判断是否存在短柱的问题。一般情况下，在高层建筑内框架柱的反弯点会比较高，由于柱上截面弯矩值比下截面弯矩值要小，所以经过判断下截面的剪跨比要小于2。另一种办法则是根据判断柱净高与截面高度比是否为小于2的反弯点高度，如果反弯点在柱中点，则柱净高应该与截面高度比值小于4，如果反弯点在柱上段，则柱净高与截面高度比值应该小于2，如果不存在反弯点则截面最大剪跨比，应该按照小于2的方式来判断。

实际工程中，一般在下列几个位置容易出现短柱：结构错层标高差较小处；层高较小的设备层处；结构底层柱截面较大处；框架柱间砌筑不到顶的隔墙、窗间墙以及楼梯间休息平台处；采用柱下独立基础或条形基础，基础顶到基础梁处等等。同时还应注意计算的方向，柱子的截面高度应选取沿填充墙平面内的柱子截面尺寸，而不是选取柱子截面尺寸最大值。

延性是指结构，构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力。延性好的结构，构件或构件的某个截面的后期变形能力大，在达到屈服或最大承载能力状态后仍能吸收一定量的能量，能避免脆性破坏的发生。所以可以通过提高短柱的延性来提高短柱的抗震性能。由于延性的主要影响因素是轴压比与剪跨比，所以在保证短柱截面承载力设计过程中可以通过控制这两个比值来提高短柱的延性。

2 如何改善短柱抗震性能

2.1 配置复合螺旋箍筋

高层建筑框架柱的剪力必须要满足剪压比限值，同时要提高抗弯能力。由于柱段的抗弯承载能力符合强柱弱梁的标准，对于短柱来说只要其同时能够满足强剪弱弯以及强柱弱梁的条件，就能有效约束剪切破坏引起的结构位移，复合螺旋箍筋的整体连续特性，能够有效保证柱子的抗剪承载力，改进混凝土的约束力从而能够显著提高构件的承载力及抗破坏能力，进而达到超越普通混凝土构件的抗震效果。

2.2 分体柱

高层建筑中短柱抗弯性能要比抗剪性能更好，但是因为在地震下经常会呈现剪切破坏，所以在地震中抗弯性能无法有效的提高高层建筑的抗震质量，为了有效避免高层建筑在地震中受到破坏，可以通过削弱短柱的抗弯强度来增加抗剪强度，当地震发生时，短柱的抗弯强度会首先达到极限，剪切破坏会变为延性破坏，而通过削弱短柱增强抗弯强度时，可以利用分柱体的办法。首先沿着竖直方向，在短柱中设置缝隙，将短柱分割成2～4个柱肢。其次在分体柱的各柱之中进行配筋，提高分体柱的初期刚度和后期性能。通过利用分体柱的方式，尽管没有能够有效改变短柱的抗剪强度，使得短柱的抗剪强度下降。但是经过实践证明，分体柱的变形能力和延展性能都有明显提高，而短柱所受到破坏也会转变为弯曲破坏。实现了短柱变长柱的效果，而且增加了短柱的抗震性能。

2.3 钢骨混凝土柱

钢骨混凝土柱由钢骨和外包混凝土两部分共同组成，钢骨通常由钢板焊接构成或者直接通过压制的方式，形成工字、口字或者十字的截面，外包混凝土主要是能够提高短柱的整体刚度，保证钢构件平面的弯扭曲承载力，避免出现局部屈曲的情况，同时保证钢材能够充分发挥出强度的性能。钢骨混凝土的钢材要比一般的钢结构使用更少，提高了建筑结构的绿色环保水平，由于外包混凝土部分属于耐久性与耐火性的材料，提高了整个钢骨混凝土柱的使用寿命。同时配置钢骨的混凝土要比一般的钢筋混凝土强度更高，提高了柱子的承载力，保证柱子截面的尺寸变小，而钢骨混凝土和箍筋能够更好的约束混凝土，保证其延展性得到增强。钢骨混凝土柱兼具钢与混凝土的优点，不仅截面小、重量轻、延性好，而且造价成本低廉，符合建筑生命周期的建筑要求。提高了建筑整体的抗震能力。

3 提高高层建筑的抗震性能

3.1 合理设置高层建筑结构的纵横墙

与建筑平面和立面相类似，纵横墙作为高层建筑结构的主要构件，对于高层建筑结构抗震性能也有着非常关键的作用，在通常情况下，必须要保证纵横墙的设置受力均匀，并且能够通过纵横墙共同承担高层建筑结构的荷载。从目前来看，高层建筑结构设置依然会采取单一的纵墙或者横墙的方式来承重。这样不仅会导致整个空间的承重性能较差，而且还影响了整个建筑结构的抗震能力。为此在进行墙体布置的过程中，必须要合理的将纵墙与横墙进行适当搭配，避免了墙体变形，从而提高多层建柱高层建筑结构的一体性。同时通过合理设置纵横墙还能够提高高层建筑结构的抗弯、抗剪性能。如果高层建筑结构存在特殊的情况，也就是纵墙不能够有效贯通，则可以通过纵横墙交接的地方设置配筋的方式。同时也要注意不能够在纵墙或者横墙设置较大的洞口。

3.2 提升高层建筑结构的整体性

一般来说，具整体性较高的结构具有较高的抗震性能。由于高层建筑结构一体性设置较差，很容易影响整体建筑的抗震性。所以通常情况下利用现浇钢筋混凝土楼板的方式，可以提高高层建筑结构水平刚度。同时利用现浇钢筋混凝土的方式，还能够避免出现平滑散落的问题。针对高层建筑结构能够有效的提升墙体的刚度，并且实现力的水平传播，并且认真按照相关的设计方案和设计要求进行施工。

3.3 增加墙体面积、提高砂浆强度

通过对于前几次比较大的地震灾害进行调查研究，我们能够发现，如果多层砖混结构，房屋建筑的墙体面积越大则砂浆的强度等级越高。这样高层建筑结构的抗震能力效果越好。所以必须要积极提高墙体面积并且增加砂浆强度，从而有效避免地震对高层建筑结构的破坏。根据相关实验表明，如果六层砖混结构房屋建筑最主要的就是影响一层和二层，而上面几层的房屋则不会受到地震的影响，所以在实际多层砖混结构房屋建筑的设计过程中，必须要加强对于一层二层等底层的建筑结构的墙体承载面积，提高砂浆的强度等级。

3.4 新型抗震技术

随着技术水平的不断提升，更多复合材料能够在高层建筑结构之中应用。一方面，新型复合结构自身的质量非常轻，并且厚度非常小。同时在针对材料进行加固之前不需要针对材料进行预加工，减少加工成本。另外复合材料的强度非常高，同时具有良好的耐腐蚀性和抗压能力。复合材料的模型可以定做，不受到施工条件的限制，对于施工的优势产生的影响较少。