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摘要：随着社会经济的发展，高层建筑在许多城市的建设中不断涌现。在高层建筑设计时，大部分设计都可以用计算软件进行设计,降低了设计人员的工作量，但仍有部分工作需要设计师来操作，即根据软件计算结果计算建筑物的应力状态，并对建筑结构进行设计。本文主要分析和研究了高层建筑短柱抗震设计的应用。
关键词：高层建筑；结构设计；短柱抗震
前言
延性是保证高层建筑中短柱抗震能力的主要因素，而影响延性的轴压比与剪跨比两个因素又互相矛盾，往往为提高延性而降低轴压比时，短柱的柱截面就会增大，使剪跨比减小，限制了短柱的延性，对此，在高层建筑的抗震设计中如何处理短柱的问题，值得相关人员深入探究。
1 确定短柱的方法
根据相关要求，短柱的定义为柱子净高(H)比截面高度(h)，即H／h≤4时，将该柱称为短柱，在建筑施工中，施工技术人员对短柱进行判定的时候多数都按照该判定方法来确定。该判定方法用到的参数只是层高与柱截面的关系，而对柱本身的内力关系没有应用。而按照材料力学、结构力学理论，根据剪跨比(λ)也可作为短柱的衡量依据，即λ=M/Vh≤2时，该柱也为短柱，但是与层高与柱截面的关系下的H/h≤4的短柱判定方法相比，在这一条件下，λ的取值未必小于2，即不一定是短柱。在多数设计中，设计人员都采用H/h≤4来判断短柱，主要依据的原理包含以下几个方面：首先，λ=M/Vh≤2；其次，因为框架柱反弯点多数都已交接近柱中点，因此M取值为0.5VH，则此时λ≤2，即H/h≤4。但是在高层建筑中，由于柱、梁线刚度比较小，特别是建筑底部基层，柱体嵌固的影响比较大，并且柱受粱的约束弯矩较小，反弯点高度大于柱高的一半，甚至反弯点不存在，此时如果仍采用H/h≤4来判断短柱是不合理的，应该采用λ=M/Vh≤2进行判定。如果反弯点没有在柱中点，那么柱上部与下部截面弯矩值是不同的，即Mh≠Mt。所以，上部与下部的剪跨比也不同，即λh=Mh/Vh≠λt=Mt/Vt。这个时候，对短柱进行判断时，采用哪一个截面剪跨比判断，是一个重点考虑的问题。经过分析研究，认为取二者中的较大值作为判定短柱的依据，即λ=max(λh，λt)，其原因包含以下方面：第一，框架柱可看做一个连续梁，受定值轴压力，柱高(Hn)类似于连续梁的剪跨，相关试验研究显示，连续梁剪跨一定时，在截面下部、上部配置同样的纵筋，在弯矩较大的区段会出现剪切破坏；第二，在框架柱中，弯矩较大的区段也会发生临界斜裂缝。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆实际上，在连续梁剪跨或柱高范围内，在弯矩较大的区段上会出现最大剪跨比。随着剪跨比的增大，钢筋混凝土构件的抗剪力会降低。因此，在相同条件下，弯矩较小区段的抗剪承载力要比弯矩较大区段的抗剪承载力要大。在荷载作用下，弯矩较大区段上发生剪切破坏的可能性大于弯矩较小区段。所以，将上端和下端截面中剪跨比较大的值作为判断短柱的剪跨比值，是符合要求的。通常而言。位于高层建筑底部基层中框架柱的反弯点都是位于柱上部的，即Mb>Mt。这个时候，对短柱进行判定的时候，可按照以下公式进行，式(1)：Hn/h≤2/yn，式中，Hn表示n层柱的净高。yn表示n层柱的反弯点高度比，按照几何关系，可知：yn=1/(1+φ )，其中，φ=Mt/Mb，0≤φ≤Hn。如果反弯点出现在柱的中点，则有φ=1，yn=0．5，则式(1)：Hn/h≤4；如果反弯点在柱上端，则φ=0，yn=1，则式(1)：Hn/h≤2；如果不存在反弯点，则可直接按照最大弯矩作用截面的剪跨比λ=M/Vh≤2进行判断。通常而言，计算过程中，可对反弯点高度比yn按照D值法进行确定，然后根据式(1)计算对是否属于短柱进行初步判断。
2 如何改善短柱的抗震性能
2.1 复合螺旋箍筋
高层建筑框架柱的抗剪能力既要满足剪压比的限值，又要满足比抗弯能力强，而且柱端的抗弯承载力也要符合“强柱弱梁”。对于短柱来说，只要其同时满足“强剪弱弯”以及“强柱弱梁”两个条件，就能降低剪切破坏发生的几率。复合螺旋箍筋可以有效提高柱子的抗剪承载力，使短柱满足上述条件，从而改善对混凝土的约束力，实现短柱的抗震性能提高。
2.2 分体柱
高层建筑中的短柱抗弯性比抗剪性更好，但是地震所造成的破坏多为剪切破坏，因此在地震中抗弯性无法充分发挥作用。为提高高层建筑的抗震性，可人为削弱短柱的抗弯强度，使其抗弯强度低于抗剪强度。在地震发生时，短柱的抗弯强度先达到极限，剪切破坏被转换为延性破坏。在削弱短柱的抗弯强度时，可以采用分柱体的办法：沿竖直方向在短柱中设置缝隙，短柱分成2～4个柱肢组成的分体柱；对分体柱的各柱肢进行配筋；为提高分体柱的的初期刚度和后期耗能能力，可以将一些连接键设置在分体柱的各柱肢之间。连接键一般包括通缝、素混凝土连接键、预制分隔板、预应力摩擦阻尼等形式。利用分体柱的方法虽然没有改变短柱的抗剪强度，而且还使短柱的抗弯强度稍稍降低，但实践表明，其变形能力和延展性都被明显提高，柱受到的破坏也由剪切破坏转变为弯曲破坏，实现了短柱变为“长柱”的构想，提高了短柱的抗震性能，尤其是剪跨比小于1.5的超短柱更为明显。
2.3 钢骨混凝土柱
钢骨混凝土柱包括钢骨和外包混凝土两部分，钢骨一般由钢板焊接组成，或者直接被轧制成截面为工字、口字或十字的形状。外包混凝土的部分主要是为了提高短柱的整体刚度，提高钢构件平面扭转弯曲力以防止其发生局部屈曲的情况，保证钢材能充分发挥强度。钢骨混凝土使用的钢材比一般钢结构更少，节约程度高达50%以上，而且外包混凝土的部分还能使结构的耐久性与耐火性整体提升。配置了钢骨的混凝土相比于一般的钢筋混凝土更能提高柱子的承载力，使柱截面尺寸较小，钢骨翼缘和箍筋能较好地约束混凝土，使其延性增加，再加上钢骨本身就具有较好的塑性，这种结构的混凝土使柱子的延性和耗能能力都显著提高。钢骨混凝土柱兼具钢与混凝土的特点，其截面小、重量轻、延性好而且成本更低，在高层建筑中使用这种钢骨混凝土柱，可以减小柱的截面尺寸，极大程度上提高建筑的抗震能力。
2.4 钢管混凝土柱
钢管混凝土是指将混凝土填入薄壁圆形钢管中，组成套箍混凝土。因为钢管会对内部的混凝土形成侧向约束，使混凝土各方面都处于受压状态，抗压强度及极限压应显著提高，延性也得到相对改善。钢管既属于纵筋，又属于横筋，其管径与管壁厚度的比值都小于90，这就使得其配筋率至少大于4.6%，比抗震规范中规定的钢筋混凝土柱最小配筋率高得多。而且钢管混凝土的抗压强度和变形能力都比较好，所以即使在高轴压比下，其受压区仍然塑性变形比较好，不会被先破坏，也不会发生受压翼缘屈曲失稳的情况。
结语
由于短柱的延性差，当发生地震时，很容易形成剪切破坏，而使建筑结构受到损害，严重的甚至会出现坍塌，影响了建筑物功能的发挥。解决高层建筑结构设计种的短柱问题是十分必要的，而解决短柱问题的前提就是对短柱进行准确的判定，本文提出了短柱判定的相关依据，以供参考。为解决短柱问题，笔者认为应有效应用复合螺旋箍筋、分体柱、钢骨砼柱等方法，以使高层建筑结构中存在的短柱其延性得到改善和增强，确保建筑结构的稳定性，增强高层建筑的抗震性能，进而充分发挥出高层建筑的使用功能，促进我国建筑行业实现更好更快的发展。
参考文献：
[1]黎静.高层建筑抗震设计研究[J].工程技术研究,2017,(5):220-221
[2]康洪涛，王兴洋．高层建筑抗震设计短柱问题的处理方案[J]．科技信息．2016(12)：15-16．
论文作者:陈永权
论文发表刊物:《基层建设》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/18
标签：混凝土论文; 延性论文; 弯矩论文; 截面论文; 高层建筑论文; 区段论文; 承载力论文; 《基层建设》2018年第3期论文;