石鐵軍 王萍

摘要：當按剪跨比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, 避免因為短柱問題所引發(fā)的破壞, 從而改善短柱的抗震性能。本文探討了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中提高短柱抗震的措施。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；提高；短柱；抗震措施

中圖分類號：TU318文獻標識碼： A 文章編號：

眾所周知，我國屬地震多發(fā)的國家，隨著經(jīng)濟的全球化發(fā)展，高層建筑將會勢如破竹地成為城市建設(shè)的主體。而高層建筑中的主要受力構(gòu)件———柱子，在地震荷載的作用下能否承受得住脆性剪切破壞，成為建筑物倒塌與否的關(guān)鍵。因此，如何改善柱子特別是短柱的抗震性能成為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固亟待解決的一個問題。

一、“短柱”判定

我國建筑抗震設(shè)防的目標是“小震不裂，中震可修，大震不倒”。中震相當于我們地震烈度區(qū)劃圖中給出的50 年超越概率10％的烈度值，這里用I 表示。這時小震用I－1.55 表示，大震就用I＋I 表示，小震的地震動峰加速度為中震的1/3，而大震的峰加速度為中震的4～6 倍?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》都規(guī)定，采用剪跨比來判斷短柱。剪跨比是反映柱截面所承受的彎矩與剪力相對大小的一個參數(shù)，表示為λ＝M/Vh，其中M、V 分別指柱截面的彎矩和剪力，h 為柱截面有效高度。當λ＜2 時，稱為短柱；當λ＜1.5 時，稱為超短柱。

二、短柱的破壞形式

短柱一般有剪切型和粘結(jié)型兩種破壞類型, 它們的破壞形式如下:

1、 剪切受壓破壞。在荷載作用下, 水平彎曲裂縫斜向發(fā)展, 形成斜裂縫。如果箍筋較強, 斜裂縫不會迅速開展, 但在彎剪作用下,壓區(qū)混凝土剪切錯動, 混凝土擠碎而喪失承載能力。

2、剪切受拉破壞。剪跨比較小且配箍率較低的構(gòu)件, 在受拉縱筋屈服以后, 隨著荷載反復(fù)次數(shù)的增加或變形加大, 可能突然產(chǎn)生一條寬度較大的主斜裂縫, 箍筋很快達到屈服, 柱子被剪壞, 承載能力急劇下降。

3、剪切斜拉破壞。斜裂縫往往沿柱對角線出現(xiàn), 箍筋達到屈服甚至被拉斷, 承載能力突然下降, 但主筋未屈服。

實際上, 構(gòu)件的最終破壞可能是幾種破壞狀態(tài)的綜合反映, 有時其中某一種比較突出而明顯, 有時兩種破壞狀態(tài)同時發(fā)生。以上幾種破壞狀態(tài)極限承載力不同, 極限變形能力也不同。房屋能否做到“中震可修、大震不倒”的設(shè)防要求, 在很大程度上取決于柱的延性大小。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中提高短柱抗震的措施

1、 選擇合適的基礎(chǔ)方案

基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件, 上部結(jié)構(gòu)類型及荷載分布,相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進行綜合分析, 選擇經(jīng)濟合理的基礎(chǔ)方案。設(shè)計時宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力,必要時還應(yīng)進行地基變形驗算?；A(chǔ)設(shè)計應(yīng)有詳盡的地質(zhì)勘察報告,對一些缺地質(zhì)報告的小型建筑也應(yīng)進行現(xiàn)場查看和參考鄰近建筑資料。一般情況下,同一結(jié)構(gòu)單元不宜采用兩種不同的類型。

2、合理選擇結(jié)構(gòu)方案

一個成功的設(shè)計必須選擇一個經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)方案, 即要選擇一個切實可行的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系應(yīng)受力明確,傳力簡捷,同一結(jié)構(gòu)單元不宜混用不同結(jié)構(gòu)體系,地震區(qū)應(yīng)力求平面和豎向規(guī)則?？傊?必須對工程的設(shè)計要求、地理環(huán)境、材料供應(yīng)、施工條件等情況進行綜合分析,并與建筑、水、暖、電等專業(yè)充分協(xié)商,在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)選型,確定結(jié)構(gòu)方案,必要時還應(yīng)進行多方案比較,擇優(yōu)選用。

3、 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)合螺旋箍筋來提高柱子的抗剪承載力，改善對砼的約束作用，能夠達到改善短柱抗震性能的目的。

4、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。對分體柱工作形態(tài)的理論分析和試驗研究表明：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、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)件處平面扭轉(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5 0 % 以上。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)濟指標等特點，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。

6、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9 0 以下，相當于配筋率至少都在4.6% 以上，這遠遠超過抗震規(guī)范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。因為按照規(guī)定，鋼管砼單肢柱的承載力可按公式③計算。公式③：N ≤φ 1 φ e N 0 。該式中，θ =faAa／ fcAc稱為套箍指標，0.3 ≤θ≤ 3。由式③可以看出，當選用了高強砼和合適的套箍指標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。

總而言之, 諸多措施來改變短柱的抗震性能最終不外乎改變構(gòu)件的承載能力和變形能力。因為建筑物的抗震性能主要取決于結(jié)構(gòu)吸收地震能量的能力, 這種能力是由其承載力和變形能力的乘積決定的, 因而改變構(gòu)件抗震性能必須從提高承載力和變形能力入手。當按剪跨比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, 避免因為短柱問題所引發(fā)的破壞, 從而改善短柱的抗震性能。

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