高層建筑抗震設(shè)計(jì)中短柱的處理
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引言
建筑物的層高一定時(shí)，為提升其延性，通常會(huì)選擇減少其軸壓比，軸壓比的減小又會(huì)增加柱截面，進(jìn)而減小了柱的剪跨比，使其延性受到影響。因而，在高層建筑中，為使軸壓比的限值滿足相關(guān)要求，通常柱的截面都較大，而使建筑結(jié)構(gòu)的底部出現(xiàn)短柱問(wèn)題。另一方面，荷載大而樓層低的建筑物設(shè)計(jì)中也會(huì)產(chǎn)生短柱問(wèn)題。而短柱其延性較差超短柱更甚，一旦地震發(fā)生，很容易形成剪切破壞，而使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞甚至坍塌，建筑物的使用功能滿足不了實(shí)際需求?；诖耍瑢?duì)高層建筑抗震設(shè)計(jì)中的短柱問(wèn)題進(jìn)行分析，并探討解決短柱問(wèn)題的相應(yīng)對(duì)策，便具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，本文對(duì)此展開介紹，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供有參考價(jià)值的建議。
1短柱的判斷方法
根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)范指出，短柱為柱凈髙和截面高度的比值不大與4的柱，技術(shù)人員也多以此來(lái)判斷是否為短柱。然而，值得注意的是，由于柱剪跨比才是判定短柱的具體參數(shù)，只有當(dāng)剪跨比不大于2時(shí)，才為短柱，而當(dāng)柱凈髙和截面髙度的比值滿足要求時(shí)，剪跨比也不一定不大于2，也即不能肯定一定是短柱，而按照柱凈髙和截面高度的比值不大于4進(jìn)行短柱的判定時(shí)，其依據(jù)主要有兩個(gè)方面，一是剪跨比不大于2，二是由于框架柱的反彎點(diǎn)通常距離柱中點(diǎn)較近，但，髙層建筑其梁柱的通常較小，尤其是對(duì)于底部來(lái)說(shuō)，柱底嵌固對(duì)其造成了一定的影響，同時(shí)梁對(duì)柱所形成的約束彎距也不大，反彎點(diǎn)其髙度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)髙出柱髙的一半，某些情況下，甚至不存在反彎點(diǎn)，對(duì)于這種情形，用柱凈髙和截面髙度的比值不大于4進(jìn)行短柱的判定，就不再適合，此時(shí)，應(yīng)以剪跨比作為短柱的判定依據(jù)。當(dāng)框架柱其反彎點(diǎn)沒(méi)有位于柱中點(diǎn)時(shí)，柱子上下截面就具有不一樣的彎矩值，因而，框架柱其上下截面也就具有不同的剪跨比。對(duì)于該種情況，該如何進(jìn)行短柱的判定呢？筆者認(rèn)為，框架柱上下截面的剪跨比最大的應(yīng)作為短柱的判定依據(jù)，這是由于，框架柱其受力特性可等同于軸壓力一定的連續(xù)梁，柱高等同子連續(xù)梁剪跨。根據(jù)相關(guān)研究成果表明，當(dāng)連續(xù)梁的剪跨不變時(shí)，且其上下截面的鋼筋配置也相一致時(shí)，彎矩大的區(qū)域發(fā)生剪切破壞的可能性也大，對(duì)于框架柱來(lái)說(shuō)，其彎矩大的區(qū)域也較容易出現(xiàn)臨界斜裂縫。實(shí)際上，在柱髙或是連續(xù)梁的剪跨區(qū)間內(nèi)，彎矩大的區(qū)域通常其剪跨比也最大。而鋼筋混凝土其抗剪力隨著剪跨比的增大而減小，在承受荷載時(shí)，一旦出現(xiàn)剪切破壞，其發(fā)生的區(qū)域一定是彎矩大的地方。而可能出現(xiàn)剪切破壞的截面剪跨比自然應(yīng)是作為短柱判定依據(jù)的剪跨比。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于髙層建筑其底部樓層而言，框架柱其反彎點(diǎn)相對(duì)偏上，也即柱上截面的彎矩值小于下截面的彎矩值，對(duì)于該種情況，短柱的判定可以下截面的剪跨比不大于2或是n層柱其凈高和截面高度的比值不大于2與n層柱其反彎點(diǎn)高度比的比值為依據(jù)，而后者具有通用性。當(dāng)進(jìn)行框架柱是否屬于短柱的初步判定時(shí)，可先通過(guò)D值法將柱的反彎點(diǎn)髙度比確定下來(lái)，然后再根據(jù)短后者短柱判定依據(jù)進(jìn)行判斷，對(duì)于施工圖紙的設(shè)計(jì)階段而言，可結(jié)合驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)一步的進(jìn)行判定。
2解決高層建筑抗震設(shè)計(jì)中短柱問(wèn)題的幾點(diǎn)建議
在根據(jù)剪跨比對(duì)框架柱是否屬于短柱進(jìn)行判定后，根據(jù)普通框架柱其相關(guān)抗震要求，只需采取一定的構(gòu)造措施。而當(dāng)確定框架柱為短柱后，應(yīng)盡可能的使短柱具有較好的承載力，減小其截面尺寸，并采取一定的措施使短柱具有較好的延展性，進(jìn)而提髙短柱的抗震能力。
2．1復(fù)合螺旋箍筋
對(duì)于高層建筑而言，其框架柱抗剪力應(yīng)符合弱彎強(qiáng)剪以及剪壓比的限值要求，而柱端其抗彎力應(yīng)符合弱梁強(qiáng)柱的要求，短柱在滿足弱彎強(qiáng)剪和弱梁強(qiáng)柱的雙重要求下，是可以避免剪切破壞的發(fā)生的。因而，復(fù)合螺旋箍筋能夠使柱的抗剪力得到提升，并使對(duì)混凝土的制約作用得到改善，以增強(qiáng)短柱的抗震能力。
2．2分體柱
相交于短柱的抗剪力而言，其抗彎性能更好。然而，地震所造成的破壞多是剪切破壞，因而，短柱的抗彎性能也就無(wú)法充分的得到發(fā)揮。基于此，可適當(dāng)?shù)膶⒍讨淇箯潖?qiáng)度人為的加以削弱，使短柱的抗彎強(qiáng)度比其抗剪強(qiáng)度略低些，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，柱子的抗彎強(qiáng)度首先達(dá)到，從而表現(xiàn)為延性破壞。．在進(jìn)行短柱抗彎強(qiáng)度的削弱時(shí)，可采取的人為方法有，沿豎向在柱中設(shè)縫，將短柱分成分體柱，分體柱可由2個(gè)或是4個(gè)柱肢組成，并分別進(jìn)行分體柱柱肢的配筋，還可將部分連接鍵設(shè)置于柱肢間，以使其初期剛度得以增強(qiáng)，并增大其后期的耗能力。一般來(lái)說(shuō)，連接鍵的形式包括通縫、素砼連接鍵、預(yù)制分割板等。由分體柱的相關(guān)理論和試驗(yàn)結(jié)果表明，分體柱方法雖然并沒(méi)有怎么改變柱的抗剪力，只是稍微降低了柱的抗彎力，然而，柱的延展性和變形力均有明顯的提升，柱的破壞也由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐?，?shí)現(xiàn)了短柱變“長(zhǎng)”的構(gòu)想，使短柱的抗震性能得到提升，尤其是剪跨比不大于1．5的超短柱，且該種方法在工程的實(shí)際建設(shè)中也己經(jīng)在應(yīng)用。
2．3鋼骨砼柱
鋼骨及外包砼一起構(gòu)成鋼骨砼柱，鋼骨截面通常為焊接拼制鋼板而成的或是直接扎成的十字形、口字形、工字形等。相較于鋼結(jié)構(gòu)而言，鋼骨砼柱其外包輪能夠起到避免鋼構(gòu)件出現(xiàn)局部扭曲變形的問(wèn)題，使柱的剛度得到提升，鋼構(gòu)件平面的扭轉(zhuǎn)彎曲力得到明顯的改善，充分發(fā)揮出鋼材強(qiáng)度的作用。鋼骨砼結(jié)構(gòu)的有效利用，相較于普通鋼結(jié)構(gòu)而言，其節(jié)約了將近一半以上的鋼材。另外，外包輪還使結(jié)構(gòu)具有更好的耐久耐火能力。相較于鋼筋砼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，因鋼骨輪有鋼骨的作用，其承載力得到了極大的提升，柱的截面尺寸被有效地降低，鋼骨的邊緣和箍筋很好的約束了砼，增強(qiáng)了其延展性，且由于鋼骨塑性較好，柱子的延性和耗能力得到了有效的提髙。因鋼骨輪柱兼具鋼和砼的特性，其截面尺寸較小，重量輕，延展性好，技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)越等，若能將鋼骨砼柱應(yīng)用于高層或超高層其鋼筋砼下方一定位置處，將會(huì)使柱截面尺寸大大的被減小，而使高層建筑的抗震性能得到顯著的提升。
3結(jié)語(yǔ)
由于短柱的延性差，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，很容易形成剪切破壞，而使建筑結(jié)構(gòu)受到損害，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)坍塌，影響了建筑物功能的發(fā)揮。解決高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)種的短柱問(wèn)題是十分必要的，而解決短柱問(wèn)題的前提就是對(duì)短柱進(jìn)行準(zhǔn)確的判定，本文提出了短柱判定的相關(guān)依據(jù)，以供參考。為解決短柱問(wèn)題，筆者認(rèn)為應(yīng)有效應(yīng)用復(fù)合螺旋箍筋、分體柱、鋼骨砼柱等方法，以使高層建筑結(jié)構(gòu)中存在的短柱其延性得到改善和增強(qiáng)，確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)高層建筑的抗震性能，進(jìn)而充分發(fā)揮出高層建筑的使用功能，促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)更好更快的發(fā)展。
作者：夏奎 單位：重慶源道建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司