首页 >  结构设计 >  高层建筑抗震设计中短柱问题的处理

【摘要】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延性的最主要的两个因素,也是一对互成矛盾的因素。 

【关键词】高层建筑;抗震设计;短柱  

  在层高一定的情况下,为提高延性而降低轴压比则会导致柱截面增大,且轴压比越小截面越大;而截面增大导致剪跨比减小,又降低了构件的延性。因此,在高层特别是超高层建筑结构设计中,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。另外,诸如图书馆的书库、层高较低的储藏室、高层建筑的地下车库等由于使用荷载大,层高较低,在设计中也不可避免地会出现短柱。众所周知,短柱的延性很差,尤其是超短柱几乎没有延性,在建筑遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震影响时,很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌,无法满足“中震可修,大震不倒”的设计准则。为了避免短柱脆性破坏问题在高层建筑中发生,本人认为,首先要正确判定短柱,然后对短柱采取一些构造措施或处理,提高短柱的延性和抗震性能。 

  1 短柱的正确判定 

  规程和规范都规定,柱净高H与截面高度h之比H/h≤4为短柱,工程界许多工程技术人员也都据此来判定短柱,这是一个值得注意的问题。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比λ,只有剪跨比λ=M/Vh≤2的柱才是短柱,而柱净高与截面高度之比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来判定的主要依据是:①λ=M/Vh≤2;②考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点,取M=0.5VH,则λ=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2,由此即得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,由于受柱底嵌固的影响且梁对柱的约束弯矩较小,反弯点的高度会比柱高的一半高得多,甚至不出现反弯点,此时不宜按H/h≤4来判定短柱,而应按短柱的力学定义――剪跨比λ=M/Vh≤2来判定才是正确的。 

  框架柱的反弯点不在柱中点时,柱子上、下端截面的弯矩值大小就不一样,即Mt≠Mb.因此,框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一样的,即λt=Mt/Vh≠λb=Mb/Vh.此时,应采用哪一个截面的剪跨比来判断框架柱是不是属于短柱呢?本人认为,应该采用框架柱上、下端截面中剪跨比的较大值,即取λ=max(λt,λb)。其理由如下:框架柱的受力情况有如一根受有定值轴压力的连续梁,柱高Hn相当于连续梁的剪跨a,已有的试验研究结果表明:对于剪跨a不变的连续梁,当截面上、下配置的纵筋相同时,剪切破坏总是发生在弯矩较大的区段;对于框架柱,临界斜裂缝也总是发生在弯矩较大的区段。 

  事实上,在柱高Hn或连续梁剪跨a的范围内,最大剪跨比是出现在弯矩较大区段上的。钢筋砼构件的抗剪承载力是随剪跨比λ增大而降低的。所以,同样条件下,弯矩较大区段的截面抗剪承载力要比弯矩较小区段的小,在荷载作用下,如果发生剪切破坏,就只能是在弯矩较大区段上。用来判断框架柱是否属于短柱的剪跨比λ当然应是可能发生剪切破坏截面的剪跨比λ。 

  一般情况下,在高层建筑的底部几层,框架柱的反弯点都偏上,即Mb>Mt.此时,可按式(1)或式(2)判定短柱: 

  或Hn/h≤2/yn(2) 

  式中,yn- -n层柱的反弯点高度比,根据几何关系,可得:yn=1/(1+Ψ),其中,Ψ=Mt/Mb,0≤Ψ≤1; 

  Hn- -n层柱的净高。 

  式(2)具有一般性。当反弯点在柱中点时,Ψ=1,yn=0.5,式(2)即成为Hn/h≤4;当反弯点在柱上端截面时,Ψ=0,yn=1,式(2)即成为Hn/h≤2;如果框架柱上不出现反弯点,就应采用最大弯矩作用截面的剪跨比λ=M/Vh≤2来判断短柱。

  当需要初步判断框架柱是否属于短柱时,可先按D值法确定柱子的反弯点高度比yn,然后按式(2)判断短柱。在施工图设计阶段,可根据电算结果作进一步判断。 

  2 改善短柱抗震性能的措施 

  当按剪跨比λ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;确定为短柱后,就应当尽量提高短柱的承载力,减小短柱的截面尺寸,采取各种有效措施提高短柱的延性,改善短柱的抗震性能。 

  2.1使用复合螺旋箍筋 

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