高層建筑設(shè)計(jì)中短柱的處理

吳環(huán)

（吉安市建筑設(shè)計(jì)院，江西 吉安 343100）

建筑抗震設(shè)計(jì)對(duì)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)件的兩個(gè)因素，也是一對(duì)互成矛盾的因素。在層高一定的前提下，為提高延性而降低軸壓比則會(huì)導(dǎo)致柱截面增大，而柱截面增大會(huì)導(dǎo)致剪跨比減小，剪跨比的減小又一定程度降低了構(gòu)件的延性。在高層建筑中，為滿足對(duì)柱軸壓比限值的要求，柱子的截面比較大，在結(jié)構(gòu)的底部往往形成短柱，甚至超短柱。例如層高較低的設(shè)備層，豎向荷載很大的地下車庫(kù)，底部形成大空間的框支轉(zhuǎn)換層等都很容易出現(xiàn)短柱。無(wú)論是實(shí)驗(yàn)，還是實(shí)際震害(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，在破壞前幾乎沒(méi)有明顯的變形過(guò)程。短柱在遭受本地區(qū)設(shè)防烈度或高于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震作用時(shí)，很容易發(fā)生剪切破壞而造成倒塌，無(wú)法滿足“中震可修，大震不到”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

既然短柱是抗震中的不利構(gòu)件，而設(shè)計(jì)人員需要對(duì)短柱采取一些構(gòu)造措施處理，就首先要能正確判定什么樣的柱屬于短柱。對(duì)于對(duì)短柱的定義，新舊高層設(shè)計(jì)規(guī)范并不完全一致?！朵摻罨炷粮邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》JGJ-91（以下簡(jiǎn)稱舊《高規(guī)》）規(guī)定柱凈高H與截面長(zhǎng)邊尺寸h之比小于4（H/h≤4）的柱為短柱。而《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2002（以下簡(jiǎn)稱新《高規(guī)》）規(guī)定柱的剪跨比小于 2（ λ＝M/Vh≤2）的柱為短柱。這兩者有什么異同點(diǎn)，下面作個(gè)簡(jiǎn)單的分析。舊《高規(guī)》按H/h≤4來(lái)判定短柱的主要依據(jù)是：（ 1）λ＝M/Vh≤2；（ 2）考慮到框架柱的反彎點(diǎn)大都靠近柱的中點(diǎn)，故近似取M＝0.5VH，則λ＝M/Vh＝0.5VH/Vh=0.5H/h≤2，由此得 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，由于受柱底嵌固程度的影響，及梁對(duì)柱的約束彎距較小，反彎點(diǎn)的高度有時(shí)會(huì)比柱高的一半高得多，甚至?xí)怀霈F(xiàn)反彎點(diǎn)。此時(shí)就不能用H/h≤4來(lái)判定短柱，而應(yīng)該按短柱的力學(xué)定義--剪跨比λ＝M/Vh≤2來(lái)判定?？梢?jiàn)，H/h≤4來(lái)判定短柱只是在某些特定條件下適用，這也是很多工程設(shè)計(jì)人員經(jīng)常未引起重視的地方。

當(dāng)按剪跨比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。當(dāng)按剪跨比判定柱子屬于短柱時(shí)，接下來(lái)就需要采取一些必要的改善短柱抗震性能的措施。下面將從受力、構(gòu)造、新材料等方面來(lái)闡述。

1 使用（連續(xù)）復(fù)合螺旋箍筋

《高規(guī)》對(duì)（連續(xù)）復(fù)合螺旋箍筋的定義為：復(fù)合螺旋箍筋指由螺旋箍與矩形、多邊形、圓形箍或拉筋組成的箍筋；連續(xù)復(fù)合螺旋箍指全部螺旋箍由同一根鋼筋加工而成的箍筋。高層建筑框架柱的抗剪能力應(yīng)該滿足剪壓比限值和“強(qiáng)剪弱彎”要求，柱端的抗彎承載力也應(yīng)滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求。對(duì)于短柱，如果符合“強(qiáng)剪弱彎”和“強(qiáng)柱弱梁”的要求，是能夠做到使其不發(fā)生剪切破壞的。因此，使用（連續(xù)）復(fù)合螺旋箍筋來(lái)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 采用分體柱

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，造成其抗彎強(qiáng)度不能充分發(fā)揮。如果人為地削弱短柱的抗彎強(qiáng)度，使其抗彎強(qiáng)度相應(yīng)的低于其抗剪強(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)延性的破壞形態(tài)。人為削弱柱的抗彎強(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，分體柱的柱肢分開(kāi)配筋。為增強(qiáng)分體柱的初期剛度，在組成分體柱的柱肢之間可以設(shè)置一些連接鍵，一般連接鍵有通縫、預(yù)制分隔板、預(yù)應(yīng)力摩擦阻尼器、素砼等形式。對(duì)分體柱工作形態(tài)的理論分析和試驗(yàn)研究都表明：采用分體柱的方法使柱子的抗剪承載力基本不變，抗彎承載力稍有降低，但可使柱子的變形能力和延性均得到較顯著的提高，其破壞形態(tài)也由剪切型轉(zhuǎn)化為彎曲型。從而實(shí)現(xiàn)短柱變“長(zhǎng)柱”的設(shè)想，有效地改善了短柱，尤其是超短柱（λ＝M/Vh≤1.5）的抗震性能。

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軋制而成的工字鋼。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。此外，外包砼還起到保護(hù)層的作用，增強(qiáng)了構(gòu)件的耐久性和耐火性。與鋼筋砼結(jié)構(gòu)相比，由于配置了鋼骨，柱子的承載力大大提高，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。因?yàn)殇摴琼胖艹浞职l(fā)揮鋼與砼兩種材料的優(yōu)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)底部采用鋼骨砼柱，可以大大減小柱的截面尺寸，顯著改善柱子抗震性能。

4 采用鋼管砼柱

鋼管砼柱是由砼填入薄壁圓形鋼管而形成的組合結(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，通常采用的管徑與壁厚的比值至少都在90以下，這相當(dāng)于配筋率至少都在4.6%以上，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗震規(guī)范對(duì)鋼筋砼柱所需要的最小配筋率限值。由于鋼管砼柱的抗壓強(qiáng)度和變形能力很佳，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”，不會(huì)出現(xiàn)受壓區(qū)先破壞的問(wèn)題，也不會(huì)出現(xiàn)像鋼柱那樣受壓翼緣屈曲失穩(wěn)的問(wèn)題。因此，從保證控制截面的轉(zhuǎn)動(dòng)能力而言，無(wú)需限制軸壓比限值。

5 采用隔震、消能減震設(shè)計(jì)

隔震、消能減震設(shè)計(jì)是國(guó)家推廣的對(duì)抗震有較高要求時(shí)適合采用的新技術(shù)、新工藝，在比較多地震的國(guó)家日本就應(yīng)用很多，而且技術(shù)也日趨成熟。比如在基礎(chǔ)上部與柱底之間設(shè)置橡膠支座隔震，可以通過(guò)這種柔性連接消耗地震能量，降低地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的地震作用，比當(dāng)?shù)氐脑O(shè)防烈度降低一度設(shè)防，降低短柱的地震等級(jí)，在柱的截面、配筋相同的條件下既可以達(dá)到較好的抗震性能，又可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

綜合以上的分析可得出：（1）判別是不是短柱，不宜按H/h≤4來(lái)判定，而應(yīng)按λ＝M/Vh≤2來(lái)判定；（2）當(dāng)已判定某柱為短柱時(shí)，可以使用（連續(xù)）復(fù)合螺旋箍筋，采用分體柱等技術(shù)手段來(lái)有效的改善短柱的抗震性能；（3）采用鋼骨砼、鋼管砼的新結(jié)構(gòu)形式，減小柱截面尺寸，提高柱的承載力，避免在結(jié)構(gòu)底部出現(xiàn)短柱，尤其是超短柱；（4）采用隔震、消能減震設(shè)計(jì)來(lái)減小地震對(duì)短柱的作用。因此，在高層建筑抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，盡量采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)來(lái)避免短柱脆性破壞問(wèn)題的發(fā)生。