高層建筑抗震設(shè)計中短柱問題的處理

            摘要： 建筑抗震設(shè)計對結(jié)構(gòu)構(gòu)件有明確的延性要求。軸壓比和剪跨比是影響構(gòu)件延性的最主要的兩個因素，也是一對互成矛盾的因素。

            關(guān)鍵詞： 高層 抗震 短柱

            0 引 言

            在層高一定的情況下，為提高延性而降低軸壓比則會導(dǎo)致柱截面增大，且軸壓比越小截面越大；而截面增大導(dǎo)致剪跨比減小，又降低了構(gòu)件的延性。因此，在高層特別是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為滿足規(guī)程［１］對軸壓比限值的要求，柱子的截面往往比較大，在結(jié)構(gòu)底部常常形成短柱甚至超短柱。另外，諸如圖書館的書庫、層高較低的儲藏室、高層建筑的地下車庫等由于使用荷載大，層高較低，在設(shè)計中也不可避免地會出現(xiàn)短柱。眾所周知，短柱的延性很差，尤其是超短柱幾乎沒有延性，在建筑遭受本地區(qū)設(shè)防烈度或高于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時，很容易發(fā)生剪切破壞而造成結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌，無法滿足“中震可修，大震不倒”的設(shè)計準(zhǔn)則。為了避免短柱脆性破壞問題在高層建筑中發(fā)生，筆者認(rèn)為，首先要正確判定短柱，然后對短柱采取一些構(gòu)造措施或處理，提高短柱的延性和抗震性能。

            1 短柱的正確判定

            規(guī)程［１］和規(guī)范［２］都規(guī)定，柱凈高Ｈ與截面高度ｈ之比Ｈ／ｈ≤４為短柱，工程界許多工程技術(shù)人員也都據(jù)此來判定短柱，這是一個值得注意的問題。因為確定是不是短柱的參數(shù)是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ＝Ｍ／Ｖｈ≤２的柱才是短柱，而柱凈高與截面高度之比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來判定的主要依據(jù)是：①λ＝Ｍ／Ｖｈ≤２；②考慮到框架柱反彎點大都靠近柱中點，取Ｍ＝０.５ＶＨ，則λ＝Ｍ／Ｖｈ＝０.５ＶＨ／Ｖｈ＝０.５Ｈ／ｈ≤２，由此即得Ｈ／ｈ≤４。但是，對于高層建筑，梁、柱線剛度比較小，特別是底部幾層，由于受柱底嵌固的影響且梁對柱的約束彎矩較小，反彎點的高度會比柱高的一半高得多，甚至不出現(xiàn)反彎點，此時不宜按Ｈ／ｈ≤４來判定短柱，而應(yīng)按短柱的力學(xué)定義--剪跨比λ＝Ｍ／Ｖｈ≤２來判定才是正確的。

            框架柱的反彎點不在柱中點時，柱子上、下端截面的彎矩值大小就不一樣，即Ｍｔ≠Ｍｂ。因此，框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一樣的，即λｔ＝Ｍｔ／Ｖｈ≠λｂ＝Ｍｂ／Ｖｈ。此時，應(yīng)采用哪一個截面的剪跨比來判斷框架柱是不是屬于短柱呢？筆者認(rèn)為，應(yīng)該采用框架柱上、下端截面中剪跨比的較大值，即取λ＝ｍａｘ（λｔ，λｂ）。其理由如下：框架柱的受力情況有如一根受有定值軸壓力的連續(xù)梁，柱高Ｈｎ相當(dāng)于連續(xù)梁的剪跨ａ，已有的試驗研究結(jié)果表明［１０］：對于剪跨ａ不變的連續(xù)梁，當(dāng)截面上、下配置的縱筋相同時，剪切破壞總是發(fā)生在彎矩較大的區(qū)段；對于框架柱，臨界斜裂縫也總是發(fā)生在彎矩較大的區(qū)段。

            事實上，在柱高Ｈｎ或連續(xù)梁剪跨ａ的范圍內(nèi)，最大剪跨比是出現(xiàn)在彎矩較大區(qū)段上的。鋼筋砼構(gòu)件的抗剪承載力是隨剪跨比λ增大而降低的。所以，同樣條件下，彎矩較大區(qū)段的截面抗剪承載力要比彎矩較小區(qū)段的小，在荷載作用下，如果發(fā)生剪切破壞，就只能是在彎矩較大區(qū)段上。用來判斷框架柱是否屬于短柱的剪跨比λ當(dāng)然應(yīng)是可能發(fā)生剪切破壞截面的剪跨比λ。

            一般情況下，在高層建筑的底部幾層，框架柱的反彎點都偏上，即Ｍｂ＞Ｍｔ。此時，可按式（１）或式（２）判定短柱：

            或Hn／h≤2／yn(2)

            式中，ｙｎ- -ｎ層柱的反彎點高度比，根據(jù)幾何關(guān)系，可得：ｙｎ＝１／(１＋Ψ)，其中，Ψ＝Ｍｔ／Ｍｂ，０≤Ψ≤１；

            Ｈｎ- -ｎ層柱的凈高。

            式（２）具有一般性。當(dāng)反彎點在柱中點時，Ψ＝１，ｙｎ＝０.５，式（２）即成為Ｈｎ／ｈ≤４；當(dāng)反彎點在柱上端截面時，Ψ＝０，ｙｎ＝１，式（２）即成為Ｈｎ／ｈ≤２；如果框架柱上不出現(xiàn)反彎點，就應(yīng)采用最大彎矩作用截面的剪跨比λ＝Ｍ／Ｖｈ≤２來判斷短柱。

            當(dāng)需要初步判斷框架柱是否屬于短柱時，可先按Ｄ值法確定柱子的反彎點高度比ｙｎ，然后按式（２）判斷短柱。在施工圖設(shè)計階段，可根據(jù)電算結(jié)果作進(jìn)一步判斷。

            2 改善短柱抗震性能的措施

            當(dāng)按剪跨比λ判定柱子不是短柱時，按一般框架柱的抗震要求采取構(gòu)造措施即可；確定為短柱后，就應(yīng)當(dāng)盡量提高短柱的承載力，減小短柱的截面尺寸，采取各種有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。

            2.1 使用復(fù)合螺旋箍筋

            高層建筑框架柱的抗剪能力是應(yīng)該滿足剪壓比限值和“強剪弱彎”要求的，柱端的抗彎承載力也是應(yīng)該滿足“強柱弱梁”要求的。對于短柱，只要符合“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的要求，是能夠做到使其不發(fā)生剪切型破壞的。因此，使用復(fù)合螺旋箍筋［4］來提高柱子的抗剪承載力，改善對砼的約束作用，能夠達(dá)到改善短柱抗震性能的目的。

            2.2 采用分體柱

            由于短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多，在地震作用下往往是因剪壞而失效，其抗彎強度不能完全發(fā)揮。因此，可人為地削弱短柱的抗彎強度，使抗彎強度相應(yīng)于或略低于抗剪強度，這樣，在地震作用下，柱子將首先達(dá)到抗彎強度，從而呈現(xiàn)出延性的破壞狀態(tài)。

            人為削弱抗彎強度的方法，可以在柱中沿豎向設(shè)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筋。在組成分體柱的柱肢之間可以設(shè)置一些連接鍵，以增強它的初期剛度和后期耗能能力。一般，連接鍵有通縫、預(yù)制分隔板、預(yù)應(yīng)力摩擦阻尼器、素砼連接鍵等形式。

            對分體柱工作性態(tài)的理論分析和試驗研究表明［３～４］：采用分體柱的方法雖然使柱子的抗剪承載力基本不變，抗彎承載力稍有降低，但是使柱子的變形能力和延性均得到顯著提高，其破壞形態(tài)由剪切型轉(zhuǎn)化為彎曲型，從而實現(xiàn)了短柱變“長柱”的設(shè)想，有效地改善了短柱尤其是剪跨比λ≤１.５的超短柱的抗震性能。分體柱方法已在實際工程中得到應(yīng)用［５］。2.3 

            采用鋼骨砼柱

            鋼骨砼柱由鋼骨和外包砼組成。鋼骨通常采用由鋼板焊接拼制或直接扎制而成的工字形、口字形、十字形截面。

            與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼骨砼柱的外包砼可以防止鋼構(gòu)件的局部屈曲，提高柱的整體剛度，顯著改善鋼構(gòu)件出平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能，使鋼材的強度得以充分發(fā)揮。采用鋼骨砼結(jié)構(gòu)，一般可比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材達(dá)５０％以上 

            ［６］ 

            。此外，外包砼增加了結(jié)構(gòu)的耐久性和耐火性。與鋼筋砼結(jié)構(gòu)相比，由于配置了鋼骨，使柱子的承載力大大提高，從而有效地減小柱截面尺寸；鋼骨翼緣與箍筋對砼有很好的約束作用，砼的延性得到提高，加上鋼骨本身良好的塑性，使柱子具有良好的延性及耗能能力。

            由于鋼骨砼柱充分發(fā)揮了鋼與砼兩種材料的特點，具有截面尺寸小，自重輕，延性好以及優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等特點，如果在高層或超高層鋼筋砼結(jié)構(gòu)下部的若干層采用鋼骨砼柱，可以大大減小柱的截面尺寸，顯著改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

            2.4 采用鋼管砼柱

            鋼管砼是由砼填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)材料，是套箍砼的一種特殊形式。由于鋼管內(nèi)的砼受到鋼管的側(cè)向約束，使得砼處于三向受壓狀態(tài)，從而使砼的抗壓強度和極限壓應(yīng)變得到很大的提高，砼特別是高強砼的延性得到顯著改善。同時，鋼管既是縱筋，又是橫向箍筋，其管徑與管壁厚度的比值至少都在９０以下，這相當(dāng)于配筋率至少都在４.６％以上，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過抗震規(guī)范［２］對鋼筋砼柱所要求的最小配筋率限值。由于鋼管砼的抗壓強度和變形能力特佳，即使在高軸壓比條件下，仍可形成在受壓區(qū)發(fā)展塑性變形的“壓鉸”，不存在受壓區(qū)先破壞的問題，也不存在像鋼柱那樣的受壓翼緣屈曲失穩(wěn)的問題。因此，從保證控制截面的轉(zhuǎn)動能力而言，無需限定軸壓比限值［８］。規(guī)程［９］規(guī)定，鋼管砼單肢柱的承載力可按式(３)計算：

            N≤φ1φeN0(3)

            式中，；

            θ=faAa／fcAc稱為套箍指標(biāo)，０.3≤θ≤３；

            φ1，φe的物理意義及計算方法見規(guī)程［９］。

            由式（３）可以看出，當(dāng)選用了高強砼和合適的套箍指標(biāo)θ后，柱子的承載力可大幅度提高，通常柱截面可比普通鋼筋砼柱減小一半以上，消除了短柱并具有良好的抗震性能。

            3 小 結(jié)

            １ 

            確定是不是短柱不宜按Ｈ／ｈ≤４來判別，而應(yīng)按剪跨比λ＝Ｍ／Ｖｈ≤２來判別。一般情況下，可采用本文式（２）來判別。當(dāng)需要初步判別是否屬于短柱時，可先按Ｄ值法確定反彎點高度比ｙｎ，然后按本文式(２)來判別。

            ２ 

            當(dāng)按剪跨比λ判定柱子不是短柱時，按一般框架柱的抗震要求采取構(gòu)造措施即可；確為短柱，就應(yīng)當(dāng)盡量提高短柱的承載力，減小短柱的截面尺寸，采取各種有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。使用復(fù)合螺旋箍筋，采用分體柱技術(shù)均可有效地改善短柱的抗震性能；采用鋼骨砼、鋼管砼等新結(jié)構(gòu)，可顯著提高柱的承載力，減小柱截面尺寸，避免在結(jié)構(gòu)下部出現(xiàn)短柱尤其是超短柱。因此，在高層建筑抗震設(shè)計中應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，盡量采用上述新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)，來避免短柱脆性破壞問題的發(fā)生。