高層建筑抗震設(shè)計(jì)中短柱問題的處理

      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(huì)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(jì)中，為滿足規(guī)程[1]對(duì)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(chǔ)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(jì)中也不可避免地會(huì)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(shí)，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(jì)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(duì)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(gè)值得注意的問題。因?yàn)榇_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(diǎn)大都靠近柱中點(diǎn)，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(duì)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(duì)柱的約束彎矩較小，反彎點(diǎn)的高度會(huì)比柱高的一半高得多，甚至不出現(xiàn)反彎點(diǎn)，此時(shí)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(diǎn)不在柱中點(diǎn)時(shí)，柱子上、下端截面的彎矩值大小就不一樣，即Mt≠M(fèi)b。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(shí)，應(yīng)采用哪一個(gè)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(yàn)研究結(jié)果表明[10]：對(duì)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(shí)，剪切破壞總是發(fā)生在彎矩較大的區(qū)段；對(duì)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(shí)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(diǎn)都偏上，即Mb＞Mt。此時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)在柱中點(diǎn)時(shí)，Ψ＝1，yn＝0.5，式（2）即成為Hn／H≤4；當(dāng)反彎點(diǎn)在柱上端截面時(shí)，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(diǎn)，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(shí)，可先按D值法確定柱子的反彎點(diǎn)高度比yn，然后按式（2）判斷短柱。在施工圖設(shè)計(jì)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(shí)，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(qiáng)剪弱彎”要求的，柱端的抗彎承載力也是應(yīng)該滿足“強(qiáng)柱弱梁”要求的。對(duì)于短柱，只要符合“強(qiáng)剪弱彎”和“強(qiáng)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(duì)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(qiáng)度不能完全發(fā)揮。因此，可人為地削弱短柱的抗彎強(qiáng)度，使抗彎強(qiáng)度相應(yīng)于或略低于抗剪強(qiáng)度，這樣，在地震作用下，柱子將首先達(dá)到抗彎強(qiáng)度，從而呈現(xiàn)出延性的破壞狀態(tài)。

      人為削弱抗彎強(qiáng)度的方法，可以在柱中沿豎向設(shè)縫將短柱分為2或4個(gè)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(qiáng)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(duì)分體柱工作性態(tài)的理論分析和試驗(yàn)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(shí)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(shí)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(qiáng)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(duì)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(diǎn)，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(diǎn)，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(qiáng)度和極限壓應(yīng)變得到很大的提高，砼特別是高強(qiáng)砼的延性得到顯著改善。同時(shí)，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(duì)鋼筋砼柱所要求的最小配筋率限值。由于鋼管砼的抗壓強(qiáng)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(dòng)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(jì)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(jì)算方法見規(guī)程[9]。

      由式（3）可以看出，當(dāng)選用了高強(qiáng)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(shí)，可先按D值法確定反彎點(diǎn)高度比yn，然后按本文式（2）來判別。