陕西省现代建筑设计研究院 陕西西安 710048
摘要：随着我国国民经济不断的发展，社会在不断的进步，建筑物的层高一定，为使其具有较好的延性而减小轴压比时，柱的截面则会相应增大，截面的增加又会降低柱的剪跨比，进而使延性降低，因而，高层建筑设计中，其结构底部往往会有短柱的形成，而短柱不具有较好的延性，当地震发生时易于形成剪切破坏，而使建筑结构被破坏，严重时还会出现建筑坍塌问题，建筑的使用功能无法满足现实需求，而阻碍了建筑行业的进一步发展，为此本文对高层建筑抗震设计中短柱问题的处理进行分析和探讨，以供有关人员参考.
关键词：高层；抗震；短柱
引言
在层高一定的情况下，为提高延性而降低轴压比则会导致柱截面增大，且轴压比越小截面越大；而截面增大导致剪跨比减小，又降低了构件的延性。因此，在高层特别是超高层建筑结构设计中，为满足《高层建筑混凝土结构技术规程》对轴压比限值的要求，柱子的截面往往比较大，在结构底部常常形成短柱甚至超短柱。另外，诸如图书馆的书库、层高较低的储藏室、高层建筑的地下车库等由于使用荷载大，层高较低，在设计中也不可避免地会出现短柱。
1短柱的正确判定
《高层建筑混凝土结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》都规定，柱净高H与截面高度h之比H/h≤4为短柱，工程界许多工程技术人员也都据此来判定短柱，这是一个值得注意的问题。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ=M/Vh≤2的柱才是短柱，而柱净高与截面高度之比H/h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于2，亦即不一定是短柱。按H/h≤4来判定的主要依据是：①λ=M/Vh≤2；②考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点，取M=0.5VH，则λ=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2，由此即得H/h≤4。但是，对于高层建筑，梁、柱线刚度比较小，特别是底部几层，由于受柱底嵌固的影响且梁对柱的约束弯矩较小，反弯点的高度会比柱高的一半高得多，甚至不出现反弯点，此时不宜按H/h≤4来判定短柱，而应按短柱的力学定义--剪跨比λ=M/Vh≤2来判定才是正确的。框架柱的反弯点不在柱中点时，柱子上、下端截面的弯矩值大小就不一样，即Mt≠Mb。因此，框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一样的，即λt=Mt/Vh≠λb=Mb/Vh。此时，应采用哪一个截面的剪跨比来判断框架柱是不是属于短柱呢？本文认为，应该采用框架柱上、下端截面中剪跨比的较大值，即取λ=ｍax（λt，λb）。其理由如下：框架柱的受力情况有如一根受有定值轴压力的连续梁，柱高Hn相当于连续梁的剪跨a，已有的试验研究结果表明：对于剪跨a不变的连续梁，当截面上、下配置的纵筋相同时，剪切破坏总是发生在弯矩较大的区段；对于框架柱，临界斜裂缝也总是发生在弯矩较大的区段。事实上，在柱高Hn或连续梁剪跨a的范围内，最大剪跨比是出现在弯矩较大区段上的。钢筋砼构件的抗剪承载力是随剪跨比λ增大而降低的。所以，同样条件下，弯矩较大区段的截面抗剪承载力要比弯矩较小区段的小，在荷载作用下，如果发生剪切破坏，就只能是在弯矩较大区段上。用来判断框架柱是否属于短柱的剪跨比λ当然应是可能发生剪切破坏截面的剪跨比λ。一般情况下，在高层建筑的底部几层，框架柱的反弯点都偏上，即Mb＞Mt。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此时，可按式（1）或式（2）判定短柱：
λ=Mb/Vh≤2（1）
或Hn/h≤2/yn（2）
式中，ｙn为n层柱的反弯点高度比，根据几何关系，可得：ｙn=1/（1＋Ψ），其中，Ψ=Mt/Mb，0≤Ψ≤1；Hn为n层柱的净高。式（2）具有一般性。当反弯点在柱中点时，Ψ=1，ｙn=0.5，式（2）即成为Hn/h≤4；当反弯点在柱上端截面时，Ψ=0，ｙn=1，式（2）即成为Hn/h≤2；如果框架柱上不出现反弯点，就应采用最大弯矩作用截面的剪跨比λ=M/Vh≤2来判断短柱。当需要初步判断框架柱是否属于短柱时，可先按Ｄ值法确定柱子的反弯点高度比ｙn，然后按式（2）判断短柱。在施工图设计阶段，可根据电算结果作进一步判断。
2改善短柱抗震性能的措施
2.1使用复合螺旋箍筋
高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求的，柱端的抗弯承载力也是应该满足“强柱弱梁”要求的。对于短柱，只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求，是能够做到使其不发生剪切型破坏的。2.2采用分体柱由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多，在地震作用下往往是因剪切而失效，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度，这样，在地震作用下，柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。
2.3采用钢骨砼柱
钢骨砼柱由钢骨和外包砼组成。钢骨通常采用由钢板焊接拼制或直接轧制而成的工字形、口字形、十字形截面。由于钢骨砼柱充分发挥了钢与砼两种材料的特点，具有截面尺寸小、自重轻、延性好以及优越的技术经济指标等特点，如果在高层或超高层钢筋砼结构下部的若干层采用钢骨砼柱，可大大减小柱的截面尺寸，显著改善结构的抗震性能。
2.4采用钢管砼柱
钢管砼是由砼填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍砼的一种特殊形式。由于钢管内的砼受到钢管的侧向约束，使砼处于三向受压状态，从而使砼的抗压强度和极限压应变得到很大提高，砼特别是高强砼的延性得到显著改善。
3提高高层建筑的抗震性能
3.1合理设置高层建筑结构的纵横墙
与建筑平面和立面相类似，纵横墙作为高层建筑结构的主要构件，对于高层建筑结构抗震性能也有着非常关键的作用，在通常情况下，必须要保证纵横墙的设置受力均匀，并且能够通过纵横墙共同承担高层建筑结构的荷载。从目前来看，高层建筑结构设置依然会采取单一的纵墙或者横墙的方式来承重。这样不仅会导致整个空间的承重性能较差，而且还影响了整个建筑结构的抗震能力。为此在进行墙体布置的过程中，必须要合理的将纵墙与横墙进行适当搭配，避免了墙体变形，从而提高多层建柱高层建筑结构的一体性。
3.2提升高层建筑结构的整体性一般来说，具整体性较高的结构具有较高的抗震性能
由于高层建筑结构一体性设置较差，很容易影响整体建筑的抗震性。所以通常情况下利用现浇钢筋混凝土楼板的方式，可以提高高层建筑结构水平刚度。同时利用现浇钢筋混凝土的方式，还能够避免出现平滑散落的问题。
3.3增加墙体面积、提高砂浆强度
通过对于前几次比较大的地震灾害进行调查研究，我们能够发现，如果多层砖混结构，房屋建筑的墙体面积越大砂浆的强度等级越高。这样建筑结构的抗震能力效果越好。所以必须要积极提高墙体面积并且增加砂浆强度，从而有效避免地震对建筑结构的破坏。根据相关实验表明，如果六层砖混结构房屋建筑最主要的就是影响一层和二层，而上面几层的房屋则不会受到地震的影响，所以在实际多层砖混结构房屋建筑的设计过程中，必须要加强对于一层二层等底层的建筑结构的墙体承载面积，提高砂浆的强度等级。
结语
1.确定是否短柱不宜按H∶h≤4来判别，而宜按剪跨比λ=M∶Vh≤2来判别。2.当按剪跨比λ判定柱子不是短柱时，按一般框架柱的抗震要求采取构造措施即可；确为短柱，就应当尽量提高短柱的承载力，减小短柱的截面尺寸，采取各种有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。
参考文献
[1]中华人民共和国行业标准.《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
[2]中华人民共和国国家标准.《建筑抗震设计规范》GB50011-2001[S].北京：中国建筑工业出版社.
论文作者:黄晓宇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/12
标签：截面论文; 建筑结构论文; 延性论文; 弯矩论文; 框架论文; 高层论文; 高层建筑论文; 《建筑学研究前沿》2018年第25期论文;