浅析高层建筑抗震设计中短柱问题

薄琳琳

摘要：本文讲述怎样正确判定短柱，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。

关键词：高层建筑 短柱抗震

引 言

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[1]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，如层高较低的储藏室、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，笔者认为，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

[1]和[2]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？笔者认为，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，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。

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

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［3］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。

2.2 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，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。

2.3 采用钢骨混凝土柱

钢骨混凝土柱由钢骨和外包混凝土组成。钢骨通常采用由钢板焊接拼制或直接扎制而成的工字形、口字形、十字形截面。

与钢结构相比，钢骨混凝土柱的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲，提高柱的整体刚度，显著改善钢构件出平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。采用钢骨混凝土结构，一般可比钢结构节约钢材达５０％以上。此外，外包混凝土增加了结构的耐久性和耐火性。与钢筋混凝土结构相比，由于配置了钢骨，使柱子的承载力大大提高，从而有效地减小柱截面尺寸；钢骨翼缘与箍筋对混凝土有很好的约束作用，混凝土的延性得到提高，加上钢骨本身良好的塑性，使柱子具有良好的延性及耗能能力。

由于钢骨混凝土柱充分发挥了钢与混凝土两种材料的特点，具有截面尺寸小，自重轻，延性好以及优越的技术经济指标等特点，如果在高层或超高层钢筋混凝土结构下部的若干层采用钢骨混凝土柱，可以大大减小柱的截面尺寸，显著改善结构的抗震性能。

3 小 结

１确定是不是短柱不宜按Ｈ／ｈ≤４来判别，而应按剪跨比λ＝Ｍ／Ｖｈ≤２来判别。一般情况下，可采用本文式（２）来判别。当需要初步判别是否属于短柱时，可先按Ｄ值法确定反弯点高度比ｙｎ，然后按本文式(２)来判别。

２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；确为短柱，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。使用复合螺旋箍筋，采用分体柱技术均可有效地改善短柱的抗震性能；采用钢骨混凝土、钢管混凝土等新结构，可显著提高柱的承载力，减小柱截面尺寸，避免在结构下部出现短柱尤其是超短柱。因此，在高层建筑抗震设计中应根据工程的具体情况，尽量采用上述新结构、新技术，来避免短柱脆性破坏问题的发生。

参考文献

[1] 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3-2010

[2] 建筑抗震设计规范GB50011—2010

[3] 混凝土结构设计规范GB50010-2010

[4] 型钢混凝土组合结构技术规程JGJ 138-2001

[5] 中国建筑科学研究院，第十八届全国高层建筑结构学术交流会论文集，重庆，2004

[6] 中国建筑科学研究院，第二十一届全国高层建筑结构学术交流会论文集，南京，2010