高层建筑抗震设计的短柱问题处理

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摘要：高层建筑的结构底部常常形成短柱，但短柱的截面比较大，剪跨比比较低，延性相对较弱，在地震中容易发生剪切破坏。基于此，文章说明了如何判断高层建筑中的短柱，并重点分析了如何改善高层建筑中短柱的抗震性能。

关键词：高层建筑；短柱问题；抗震性能

延性是保证高层建筑中短柱抗震能力的主要因素，而影响延性的轴压比与剪跨比两个因素又互相矛盾，往往为提高延性而降低轴压比时，短柱的柱截面就会增大，使剪跨比减小，限制了短柱的延性，对此，在高层建筑的抗震设计中如何处理短柱的问题，值得相关人员深入探究。

1如何判断短柱

在我国相关规定与规范中，柱净高与截面高度的比值小于4为短柱，但是，在高层建筑中，梁柱一般比较小，尤其柱底部嵌固会使梁对柱产生的约束弯矩不大，所以柱的反弯点通常要比柱中点高得多，甚至有时高层建筑的柱中不存在反弯点，此时再判断是否为短柱时就无法根据柱净高和截面高度的比值是否小于4，而是要根据剪跨比是否小于2。如果框架柱的反弯点离柱中点较远，柱的上下截面弯矩值就会不同，其剪跨比也会不同，此时若要判断该柱是否为短柱，应该选取上下截面最大的剪跨比为依据。因为框架柱的受力特性与轴压力为定值的连续梁相同，所以可以将柱高看做连续梁的剪跨。根据研究结果发现，如果连续梁剪跨不变，而且截面的上下配置纵筋相同，弯矩较大的区段更容易发生剪切破坏，在框架柱中，弯矩较大的区段也容易发生临界斜裂缝。事实上，在柱高或连续梁的剪跨区间内，弯矩越大的区域剪跨比越大，而且随着剪跨比的增加，钢筋混凝土的抗剪力也会缩小，所以在承受荷载时，出现剪切破坏的区域一定是弯矩大的地方，也因此应该选取截面最大的剪跨比判断短柱。通常情况下，载高层建筑内框架柱的反弯点比较高，所以柱的上截面弯矩值比下截面弯矩值更小，于是通过判断下截面的剪跨比是否小于2可以判断是否为短柱，另一种办法是判断柱净高与截面高度的比是否小于2/反弯点高度，如果反弯点在柱中点，柱净高与截面高度的比值应该小于4，如果反弯点在柱的上端截面，柱净高与截面高度的比值就应该小于2，如果没有反弯点，则选取截面的最大剪跨比小于2来判断[1]。

2如何改善短柱的抗震性能

2.1复合螺旋箍筋

高层建筑框架柱的抗剪能力既要满足剪压比的限值，又要满足比抗弯能力强，而且柱端的抗弯承载力也要符合“强柱弱梁”。对于短柱来说，只要其同时满足“强剪弱弯”以及“强柱弱梁”两个条件，就能降低剪切破坏发生的几率。复合螺旋箍筋可以有效提高柱子的抗剪承载力，使短柱满足上述条件，从而改善对混凝土的约束力，实现短柱的抗震性能提高。

2.2分体柱

高层建筑中的短柱抗弯性比抗剪性更好，但是地震所造成的破坏多为剪切破坏，因此在地震中抗弯性无法充分发挥作用。为提高高层建筑的抗震性，可人为削弱短柱的抗弯强度，使其抗弯强度低于抗剪强度。在地震发生时，短柱的抗弯强度先达到极限，剪切破坏被转换为延性破坏。在削弱短柱的抗弯强度时，可以采用分柱体的办法：①沿竖直方向在短柱中设置缝隙，将短柱分成2～4个柱肢组成的分体柱；②对分体柱的各柱肢进行配筋；③为提高分体柱的的初期刚度和后期耗能能力，可以将一些连接键设置在分体柱的各柱肢之间。连接键一般包括通缝、素混凝土连接键、预制分隔板、预应力摩擦阻尼等形式。利用分体柱的方法虽然没有改变短柱的抗剪强度，而且还使短柱的抗弯强度稍稍降低，但实践表明，其变形能力和延展性都被明显提高，柱受到的破坏也由剪切破坏转变为弯曲破坏，实现了短柱变为“长柱”的构想，提高了短柱的抗震性能，尤其是剪跨比小于1.5的超短柱更为明显[2]。

2.3钢骨混凝土柱

钢骨混凝土柱包括钢骨和外包混凝土两部分，钢骨一般由钢板焊接组成，或者直接被轧制成截面为工字、口字或十字的形状。外包混凝土的部分主要是为了提高短柱的整体刚度，提高钢构件平面扭转弯曲力以防止其发生局部屈曲的情况，保证钢材能充分发挥强度。钢骨混凝土使用的钢材比一般钢结构更少，节约程度高达50%以上，而且外包混凝土的部分还能使结构的耐久性与耐火性整体提升。配置了钢骨的混凝土相比于一般的钢筋混凝土更能提高柱子的承载力，使柱截面尺寸较小，钢骨翼缘和箍筋能较好地约束混凝土，使其延性增加，再加上钢骨本身就具有较好的塑性，这种结构的混凝土使柱子的延性和耗能能力都显著提高。钢骨混凝土柱兼具钢与混凝土的特点，其截面小、重量轻、延性好而且成本更低，在高层建筑中使用这种钢骨混凝土柱，可以减小柱的截面尺寸，极大程度上提高建筑的抗震能力。

2.4钢管混凝土柱

钢管混凝土是指将混凝土填入薄壁圆形钢管中，组成套箍混凝土。因为钢管会对内部的混凝土形成侧向约束，使混凝土各方面都处于受压状态，抗压强度及极限压应显著提高，延性也得到相对改善。钢管既属于纵筋，又属于横筋，其管径与管壁厚度的比值都小于90，这就使得其配筋率至少大于4.6%，比抗震规范中规定的钢筋混凝土柱最小配筋率高得多。而且钢管混凝土的抗压强度和变形能力都比较好，所以即使在高轴压比下，其受压区仍然塑性变形比较好，不会被先破坏，也不会发生受压翼缘屈曲失稳的情况。

3结束语

综上所述，目前多数工程设计时在判断短柱时选取的依据存在错误。由分析可知，判断短柱应根据柱的剪跨比，为提高短柱的抗震性能，设计人员采用复合螺旋箍筋加强了短柱的抗剪能力，利用分体柱却弱了短柱的抗弯强度，使地震时短柱受到的破坏为延性破坏，同时设计人员还将短柱设计成钢骨混凝土柱或钢管混凝土柱，充分提高了柱子的承载力。

参考文献：

[1]黎静.高层建筑抗震设计研究[J].工程技术研究,2017,(5):220-221.

[2]肖常安.高层建筑抗震设计中短柱问题的处理[J].工业建筑,2000,(10):68-70+60.

作者:王晓绘 单位:山东华科规划建筑设计有限公司