高层建筑抗震设计中短柱问题的处理措施 杨晓萍

高层建筑抗震设计中短柱问题的处理措施杨晓萍
发表时间：2018-09-12T14:37:36.100Z 来源：《基层建设》2018年第25期作者：杨晓萍[导读] 摘要：高层建筑结构作为我国最常见的建筑结构，是促进城市现代化的重要途径。

济南中建建筑设计院有限公司山东济南 250101 摘要：高层建筑结构作为我国最常见的建筑结构，是促进城市现代化的重要途径。

由于高层建筑结构选材广泛，施工工艺成熟，造价低廉，在当前建筑行业得到了广泛应用。

我国地质灾害频发，对人民生命财产安全构成了巨大威胁。

短柱容易发生脆性破坏。

为了更好地提高高层建筑的抗震性能，有必要分析高层建筑短柱存在的问题，积极采取对策，有效避免短柱问题造成的破坏，从而提高高层建筑抗震
结构的整体稳定性，提高高层建筑的整体质量。

关键词：高层建筑；抗震设计；短柱问题；解决方案；处理对策引言
建筑抗震设计对结构构件有明确的延性要求。

轴压比和剪跨比是影响构件延性的最主要的两个因素，也是一对互成矛盾的因素。

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，对高层特别是超高层建筑结构设计中，为满足规程[1]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，在设计中不可避免地会出现短柱。

众所周知，短柱的延性很差，尤其是超短柱几乎没有延性，在建筑遭受本地区设防烈度的地震影响或高于本地区设防烈度的预估罕遇地震影响时，很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌，无法满足“中震可修，大震不倒”的设计准则。

1高层建筑抗震设计中短柱问题在高层建筑抗震设计过程中，柱净高与截面高度比值不大于4，可以判定为短柱。

通常情况下高层建筑由于梁比较小，尤其是底部的嵌固结构会导致梁对柱产生的约束弯距较小，这样也会造成柱的反弯点要高出柱中点。

甚至很多的高层建筑柱中不存在反弯点。

在这种情况下对于短柱的判断无法按照柱净高和截面高度的比值小于4，所以可以采用剪跨比是否小于2。

如果框架柱反弯点距离柱中点比较远，柱的上下截面弯矩值会出现异常，其剪跨比也会存在差异。

如果要判断该处是否为短柱，必须要选择上下截面最大剪跨比进行判断。

如果发现连续剪跨不变而截面出现上下配置的纵筋相同，则弯矩较大的区域很容易发生剪切破坏的问题。

在框架柱中弯矩较大的区域也会因为临界斜裂缝而产生问题。

从当前实际情况来看，柱高或者出现连续梁剪跨区间弯曲越大则区域剪跨比越大。

随着剪跨比的增加混凝土的抗剪能力也会变小，导致承受能力因为剪切破坏的影响造成弯曲变大，所以必须要根据截面的最大剪跨比判断是否存在短柱的问题。

一般情况下，在高层建筑内框架柱的反弯点会比较高，由于柱上截面弯矩值比下截面弯矩值要小，所以经过判断下截面的剪跨比要小于2。

另一种办法则是根据判断柱净高与截面高度比是否为小于2的反弯点高度，如果反弯点在柱中点，则柱净高应该与截面高度比值小于4，如果反弯点在柱上段，则柱净高与截面高度比值应该小于2，如果不存在反弯点则截面最大剪跨比，应该按照小于2的方式来判断。

实际工程中，一般在下列几个位置容易出现短柱：结构错层标高差较小处；层高较小的设备层处；结构底层柱截面较大处；框架柱间砌筑不到顶的隔墙、窗间墙以及楼梯间休息平台处；采用柱下独立基础或条形基础，基础顶到基础梁处等等。

同时还应注意计算的方向，柱子的截面高度应选取沿填充墙平面内的柱子截面尺寸，而不是选取柱子截面尺寸最大值。

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：①沿竖直方向在短柱中设置缝隙，将短柱分成2～4个柱肢组成的分体柱；②对分体柱的各柱肢进行配筋；③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采用钢骨混凝土柱
钢骨混凝土柱由钢骨和外包混凝土组成。

钢骨通常采用由钢板焊接拼制或直接轧制而成的工字形、十字形、口字形等截面。

钢骨混凝土柱与钢筋混凝土柱结构相比，由于配置了钢骨，使柱子的承载力大大提高，从而有效地减小柱截面尺寸；钢骨翼缘与箍筋对混凝土有很好的约束作用，混凝土的延性得到提高，加上钢骨本身良好的塑性，使柱子具有良好的延性及耗能能力。

此外，外包混凝土增加了结构的耐久性和耐火性。

与钢结构相比，钢骨混凝土柱的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲，提高柱的整体刚度，显著改善钢构件处平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。

采用钢骨混凝土结构，一般可比钢结构节约钢材达50%以上。

钢骨混凝土柱充分发挥了钢与混凝土两种材料的特点，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混凝土结构下部的若干层采用钢骨混凝土柱，可以大大减小柱的截面尺寸，显著改善结构的抗震性能。

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。

2.5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。

同时通过合理设置纵横墙还能够提高高层建筑结构的抗弯、抗剪性能。

如果高层建筑结构存在特殊的情况，也就是纵墙不能够有效贯通，则可以通过纵横墙交接的地方设置配筋的方式。

同时也要注意不能够在纵墙或者横墙设置较大的洞口。

结语
综上所述，目前多数工程设计时在判断短柱时选取的依据存在错误。

由分析可知，判断短柱应根据柱的剪跨比，为提高短柱的抗震性能，设计人员采用复合螺旋箍筋加强了短柱的抗剪能力，利用分体柱却弱了短柱的抗弯强度，使地震时短柱受到的破坏为延性破坏，同时设计人员还将短柱设计成钢骨混凝土柱或钢管混凝土柱，充分提高了柱子的承载力。

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]肖常安.高层建筑抗震设计中短柱问题的处理[J].工业建筑，2000，（10）：68-70+60.。