首页 >  结构设计 >  高层结构抗震设计中短柱的处理

【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。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,紧身荷载很大的地下车库,底部形成大空问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。为了避免短柱脆性破坏问题在高层建筑中发生, 首先要正确判定出哪些是短柱, 然后对短柱采取一些合理的构造措施或处理,提高短柱的延性和抗震性能。 

  一、短柱的正确判定 

  《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》 JGJ3-91 (以下简称旧《高规》 )规定柱净高 H 与截面底边尺寸 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及新版JGJ3-2010(以下简称新《高规》)规定柱的剪跨比小于 2(λ=Mc/Vch0≤2)的柱为短柱。这两者有什么异同点,下面作个简单分析。旧《高规》按 H/h≤4 来判定短柱的主要依据是λ=M/Vh, 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,甚至不会出现反弯点。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=Mc/Vch0≤2 来判定。可见,用 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。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,应采用框架柱上、下端截面中剪跨比的较大值,即取λ=max(λt,λb)来判断框架柱是不是属于短柱。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 Hn/h≤2/yn 来判断短柱。在施工图设计阶段,可根据电算结果作进一步判断。 

  二、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。 

  1.使用复合螺旋箍筋 

  高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求的,柱端的抗弯承载力也是应该满足“强柱弱梁”要求的。对于短柱,只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求,是能够做到使其不发生剪切型破坏的。因此,使用复合螺旋箍筋来提高柱子的抗剪承载力,改善对混凝土的约束作用,能够达到改善短柱抗震性能的目的。 

  2.采用分体柱 

  由于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,其抗弯强度不能完全发挥。因此,可人为地削弱短柱的抗弯强度,使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度,这样,在地震作用下,柱子将首先达到抗弯强度,从而呈现出延性的破坏状态。 

  人为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筋。 在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接键, 以增强它的初期刚度和后期耗能能力。一般来说,连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素混凝土连接键等形式。 

  3.采用钢骨混凝土柱 

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