高層建筑抗震設計中短柱問題的處理

陳浩曼

【摘要】文章針對高層建筑抗震設計的短柱問題進行分析，闡述了短柱的破壞機制及受力特點，分析了短柱的正確判定方法，論述了改善短柱抗震性能的有效構造措施及處理方法，為抗震設計中短柱延性和抗震性能的提高提供參考。

【關鍵詞】短柱；延性；抗震性能

前言

在高層建筑設計中，抗震設計要求結構構件必須要有明確的延性，而影響構件延性的關鍵兩個因素是：軸壓比和剪跨比。在一定層高的情況下，為提高延性而降低軸壓比則會導致柱截而增大，并且軸壓比越小截面越大，而截面增大又可能導致剪跨比相對減小，又降低了構件的延性。因此，在高層（特別是超同層）建筑結構設計中，為了滿足規程對軸壓比限值的要求，柱子的截面往往會比較大，在結構底部常常形成短柱甚至超短柱。在高層的地下儲藏室、地下車庫等由于使用荷載大，層高較低，在設計中會不可避免的出現短柱。這種高層較低處的超短柱幾乎沒有延性，為了避免在高層建筑中因短柱脆性破壞的發生，必須要正確判斷短柱，對短柱采取必要的構造措施或有效處理，使短柱的延性和抗震性能大幅度提高。

一、短柱的正確判定

建筑工程實踐經驗和相關理論都規定，柱凈高度與截而高度之比為短柱（H/h比值小于等于4）。剪跨比是反映柱截面所承受的彎矩和剪力相對大小的參數，表示為：λ=M/Vh≤2，式中M、V指柱截面的彎矩和剪力，由于框架柱反彎點大多靠近柱中點，取M=0.5VH，則λ=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2，由此可得H/h≤4。然而，高層建筑中，梁與柱線剛度比較小，特別是底層，由于受柱底嵌固的影且梁對柱的約束彎矩較小，反彎點的高度比柱高出一多半，有時不會出現反彎點，這時就不宜按照H/h≤4來判定短柱。應按照短柱的力學定義--剪跨比λ=M/Vh≤2來判定才是正確的。判斷短柱，在施工設計時，可根據電算結果作進一步判斷。

因短柱的側移剛度較大，因此在地震作用下，承載的水平剪力也會相應較大，如果調協承擔水平力的抗震柱、抗震墻或是水平支撐結構，分擔部分水平力，那么就可以減少短柱所承受的剪力，使其抗剪的強度大大高于外力效應，保證短柱預期延性。

二、改善短柱抗震性能的措施

短柱的破壞一般分為剪切受拉破壞、剪切斜拉破壞以及剪切受壓破壞。剪切受拉破壞是指剪跨小并且配箍率比較低的構件，構件的抗拉和抗壓強度小于抗剪強度，受拉筋屈服后，荷載重力次數反復增加或者變大，主體會產生一條寬度較大的斜裂縫，箍筋達到損傷，柱子被剪壞，承載能力下降；剪切斜拉破壞是指斜裂縫沿柱對角出現，箍筋屈服甚至拉斷，承載能力急劇下降，但主筋尚未屈服；剪切受壓破壞是指在荷載重力的作用下，水平彎曲的裂縫會斜向發展的現象，如果箍筋強度較大，那么斜裂縫不會快速發展，但在彎剪壓力的作用下，受壓混凝土區剪切錯動，混凝土被擠壓破裂，從而喪失了承載能力。當剪跨比確定為短柱后，那么就最大限度提高短柱的承載力，減小短柱的截面，并對提高短柱的延性提高采取各種有效措施，增加短柱的抗震性能。

1、采用分體柱

因為短柱的抗彎承載力要比抗剪承載力大的多，所以在地震情況中，常常是由于抗剪承載力失效的原因，而抗彎承載力不能完全發揮。因此在設計中可削弱短柱的抗彎強度，使抗彎強度略低于抗剪強度，那么，就符合了“剪強彎弱”和“柱強梁弱”的要求，在地震作用下，便可以不發生剪切型破壞，呈現出來的是延性的破壞狀態，同時，復合螺箍的使用提高了短柱的抗剪承載力，改善了短柱的抗震性能。

削弱抗彎強度的方法，可以在柱中沿豎向設縫將短柱分為2或4個柱肢組成的分體柱，分體柱的各柱肢分開配箍筋，在分體柱之間設置一些連接鍵，以增強它的初期剛度和后期耗能能力。一般連接鍵有預制分隔板、素混凝土連接鍵、通縫、預應力摩擦阻尼器等形式。雖然采用分體柱的方法使柱子的抗剪承載力基本不變，抗彎承載力會小幅度降低，但是，柱子的延性和變性能力都具有明顯的提高，震后的破壞狀況由剪切形轉化為彎曲型，最終實現了短柱變“長柱”的設想，有效地改善了短柱的抗震性能，在當今實際的建筑工程中已經廣泛使用分體柱的方法。

2、采用鋼骨混凝土柱

鋼骨混凝土柱是在高層建筑中為了壓縮混凝土柱的截面，將型鋼置于柱中，以增強柱子的承載能力。鋼骨一般采用由鋼板焊接拼制或直接軋制成的口字形、十字形或者工字形等截面，與鋼筋混凝土結構相比，鋼骨混凝土柱的外包混凝土可以防止內部鋼骨的彎曲，提高了柱子的承載力，有效地起到了減小柱截面的尺寸，鋼骨翼緣與箍筋對混凝土起到了攏合作用，使得混凝土的作用得到了極大的提高，再加上鋼骨自身具有良好的塑性，使短柱有了相當強大的延性和耗能能力。另外，外包的混凝土加強的結構的耐久性和耐火性。采用鋼骨混凝土結構設計，可以比鋼筋混凝土結構節約鋼材達到一半以上，鋼骨混凝土短柱能夠充分發揮其自身混凝土與鋼兩種材料的特質，具有截面尺寸小、延性好、自重輕以及優越技術經濟指標等等特點，那么，在高層或者超高層建筑的下部采用鋼骨混凝土，便可以大大減小短柱的截面，有效的改善了短柱結構的抗震性能。

3、采用鋼管混凝土柱

鋼管混凝土柱就是把混凝土灌入鋼管中并搗實以加大鋼管的強度和鋼度，這種把混凝土填入鋼管形成新型組合的建筑材料，是套箍混凝土的一種特殊形式。由于鋼管內的混凝土受到鋼管內向約束，促使混凝土三向受壓，進而使混凝土的抗壓強度和極限壓應變得到極大的提高，混凝土的延性從而得到明顯改善。混凝土中的鋼管既是縱筋，又是橫向箍筋，管徑與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，這樣就能夠大大超過抗震規范對鋼筋混凝土所要求的最小配筋率的限值。由于鋼管混凝土的變形能力和抗壓強度性能較為突出，即使在高軸壓比的條件下，依然可以形成在受壓區發展塑性變形的壓力。排除了受壓區先破壞的問題，更不會發生鋼柱那樣的受壓翼緣屈曲失穩的問題。鋼管混凝土柱具有便于施工、承載力高、耐腐蝕等優點，由鋼管混凝土柱的力學性和工作原理等方面，顯示出了其自身的優勢，在實際工程中也得到越來越多的應用。

4、在柱中配置X型鋼筋

高層建筑設計中，抗震性能應從外因著手，在X型對角線配置的鋼筋在受力計算時分解為水平分力和垂直分力，能夠保證柱的彎曲承載力的是垂直分力，承擔一部分外來剪力的是水平分力，同時也起到降低柱子的剪壓比的作用，有效的改善了短柱的抗震性能。

5、提高短柱的受壓承載力

在高層建筑中，增大短柱的受壓承載力，可以提高剪跨比、減小短柱截面，最大限度的改善整個建筑結構的抗震能力。提高剪跨比和減小柱面最有效的手段是提高混凝土的抗強抗壓的等級，利用高強混凝土的強度來增加柱子的受壓承載力，降低軸壓比。

三、小結

在高層建筑結構設計過程中，為滿足規程對軸壓比限值的要求，柱子的截面往往比較大，在結構底部常常形成短柱甚至超短柱。本文通過對短柱的一系列分析和研究，高層建筑或者超高層建筑的短柱問題已有多種解決方法。在實際建筑工程中，當短柱不可避免地出現時，就必須采取各種提高短柱延性的措施，選擇最適合、最經濟及最有效的方法提高短柱的抗震性能，只有這樣才能提高高層建筑整體抗震性能，確保其應用安全可靠性。

參考文獻

[1] 何超釩.高層建筑抗震設計存在的問題及其短柱的處理措施[J]. 中小企業管理與科技（上旬刊），2009，（04）：13-14.

[2] 王蕾.淺談高層建筑抗震中短柱的問題及改善措施[J].科技創新與應用，2013，（03）：17-18.

[3] 潘榕.高層建筑抗震設計中短柱問題的分析與處理[J].有色金屬設計，2006，（04）：23-25.