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摘要：我国经济发展和社会建设在不断发展进步,这就促使我国建筑产业的高速发展,而且随着城市化进程的逐渐加快,建筑工程在各个城市之中都在不断施工建设.在针对建筑进行结构设的过程中,对短柱的延性进行详细的分析是非常必要的,而且在分析的过程中还应该利用先进的计算机软件帮助设计人员进行设计算,在对短柱设计的过程中,就一定要对其根据计算结果对短柱的受力情况进行计算和分析,并采取一些对应的构造措施.本篇文章针对建筑结构设计中提高短柱延性的分析进行研究,对短柱的判定方法进行探讨,并提出几点改善措施。
关键词：高层建筑结构设计短柱延性分析
引言
在高层建筑建设中，短柱的应用已经比较普遍，而在层高设计一定的情况下，为了使建筑延性提高，需要增加柱截面积，降低轴压比，轴压比越小，柱截面积越大。所以，在高层建筑结构设计中，为了对轴压比限值进行满足，往往需要将柱的截面积提高，出现短柱构造，甚至是超短柱构造。而在抗震性能的要求下，短柱要求具有足够的抗震性能，需要将短柱延性进行提高，本文也针对建筑结构设计中延性提高的方法进行分析。
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，并且柱受梁的约束弯矩较小，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。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+ψ)，其中，ψ=Mt/Mb，0≤ψ≤Hn。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆如果反弯点出现在柱的中点，则有ψ=1，yn=0.5，则式(1):Hn/h≤4;如果反弯点在柱上端，则ψ=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提高短柱延性的措施
2.1使用钢管混凝土柱
在薄壁圆形钢管内填入混凝土构成的结构即为钢管混凝土。钢管对混凝土产生侧向约束力，混凝土处于受压状态，混凝土的抗压强度及极限压应变能力都得到提升，特别是对高强度混凝土延性的改善效果非常明显。除此以外，结构中钢管不但发挥了横向箍筋的作用，也发挥了纵筋的作用，管径与管壁厚度比值小于90，类似于混凝土配筋率超过4.6%，明显超出抗震要求中混凝土配筋率要求。由于此类结构的抗压强度与抗变形能力非常好，即便是在高轴压比下，受压区都不会出现先破坏的现象，与钢柱相比，也不会出现屈曲失稳情况。所以，为了对截面转动能力进行控制，对轴压比限值不需要限定。钢管混凝土单支柱承载力计算可用公式(2)计算，式(2):承载力≤Φ1ΦeNθ，式中，θ表示套箍指标，值域［0.3，3］。根据式(2)，在套箍指标选择合适的情况下，使用高强度混凝土可使柱子的承载力大大提高，且柱截面可大大降低，比普通钢筋混凝土柱至少降低一半，消除了短柱，抗震性能能够大大提高。
2.2使用钢骨混凝土柱
将混凝土外包于钢骨即可构成钢骨混凝土柱。一半情况下钢骨的类型包含十字形截面、口字形截面和工字形截面集中，和钢结构对比，钢结构构件局部可能出现屈曲，而钢护混凝土柱由于钢构件外部包裹有混凝土，不会发生屈曲现象，柱子的整体强度得到了加强，钢材的强度可以有效的发挥出来。而且与一般钢结构柱相比，采用钢骨混凝土结构可降低一半以上的钢材用量。而与混凝土结构相比，由于钢骨的存在，使柱子的承载力大大提高，柱的截面积也有效的降低，由于混凝土在钢骨翼缘及箍筋作用下受到约束，提高了混凝土的延性，柱的延性与耗能能力都得到加强。该结构类型中，对混凝土与钢材的优势都得到了最大限度的发挥，具有延性好、截面小、自重轻等优势，在高层建筑中的应用对抗震性能可有效的改善。
2.3使用分体柱
对于短柱而言，其抗弯承载力与抗剪承载力要大很多，所以在地震作用下，抗剪承载力如果受到破坏后，抗弯强度再大也都无法发挥出来。所以，可将短柱的抗弯强度人为性的降低，使其略低于抗剪强度即可，在地震条件下，柱子抗弯强度受到发挥出现，呈现延性破坏作用。为了使抗弯强度降低，在柱中可沿竖向设置缝隙，将短柱一分为二或四部分，构成分体柱，各分体柱均单独配筋，在分体柱之间设置连接缝，使各分体柱的初期刚度增加。相关研究显示，分体柱与整体柱相比，抗剪能力基本一致，抗弯承载力降低，这就使柱子的变形能力与延性都得到了提升，由原来的抗剪型破坏形态转变为弯曲型破坏形态，也将短柱消除，变为分体长柱，对剪跨比λ≤2时的抗震性能有效的进行了改善。
结语
我国经济发展和社会建设在不断发展进步,这就促使我国建筑产业的高速发展,而且随着城市化进程的逐渐加快,建筑工程在各个城市之中都在不断施工建设.在针对建筑进行结构设的过程中,对短柱的延性进行详细的分析是非常必要的,而且在分析的过程中还应该利用先进的计算机软件帮助设计人员进行设计算,在对短柱设计的过程中,就一定要对其根据计算结果对短柱的受力情况进行计算和分析,并采取一些对应的构造措施.本篇文章针对建筑结构设计中提高短柱延性的分析进行研究,对短柱的判定方法进行探讨,并提出几点改善措施.
参考文献
[1]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，2018(12):412．
[2]谢国．试论高层建筑框架结构的延性设计［J］．河南科技，2018(13):166+170．
论文作者:杨永杰,马玉良
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年13期
论文发表时间:2019/10/9
标签：延性论文; 截面论文; 混凝土论文; 弯矩论文; 承载力论文; 区段论文; 建筑论文; 《建筑学研究前沿》2019年13期论文;