建筑结构设计中短柱抗震设计的措施分析

摘要：在高层建筑结构设计过程中，应根据具体情况，正确判断短柱。若出现短柱，可综合采取上述处理措施，切实提高短柱的延性，确保建筑物“中震可修，大震不倒。本文探讨了高层建筑结构设计中提高短柱抗震的措施。

关键词：高层建筑；结构设计；提高；短柱；抗震措施

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：

剪跨比小于/的柱称为短柱。短柱的延性很差，在遭受本地区设防烈度的地震或高于本地区设防烈度的预估罕遇地震影响时，极易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌。房屋是否能够做到“中震可修，大震不倒”，在很大程度上与柱的延性好坏有关。正确判断和处理短柱是结构设计时必须面对的问题。

一、“短柱”判定

我国建筑抗震设防的目标是“小震不裂，中震可修，大震不倒”。中震相当于我们地震烈度区划图中给出的50 年超越概率10％的烈度值，这里用I 表示。这时小震用I－1.55 表示，大震就用I＋I 表示，小震的地震动峰加速度为中震的1/3，而大震的峰加速度为中震的4～6 倍。《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》都规定，采用剪跨比来判断短柱。剪跨比是反映柱截面所承受的弯矩与剪力相对大小的一个参数，表示为λ＝M/Vh，其中M、V 分别指柱截面的弯矩和剪力，h 为柱截面有效高度。当λ＜2 时，称为短柱；当λ＜1.5 时，称为超短柱。

二、短柱的破坏形式

短柱一般有剪切型和粘结型两种破坏类型，它们的破坏形式如下:

1、 剪切受压破坏。在荷载作用下，水平弯曲裂缝斜向发展，形成斜裂缝。如果箍筋较强，斜裂缝不会迅速开展，但在弯剪作用下，压区混凝土剪切错动，混凝土挤碎而丧失承载能力。

2、剪切受拉破坏。剪跨比较小且配箍率较低的构件，在受拉纵筋屈服以后，随着荷载反复次数的增加或变形加大，可能突然产生一条宽度较大的主斜裂缝，箍筋很快达到屈服, 柱子被剪坏，承载能力急剧下降。

3、剪切斜拉破坏。斜裂缝往往沿柱对角线出现，箍筋达到屈服甚至被拉断, 承载能力突然下降， 但主筋未屈服。

实际上，构件的最终破坏可能是几种破坏状态的综合反映，有时其中某一种比较突出而明显，有时两种破坏状态同时发生。以上几种破坏状态极限承载力不同，极限变形能力也不同。房屋能否做到“中震可修、大震不倒”的设防要求，在很大程度上取决于柱的延性大小。

三、高层建筑结构设计中提高短柱抗震的措施

1、采用高强混凝土

采用高强混凝土可以减小柱截面和提高剪跨比，最直接的方法就是提高混凝土的强度等级，即采用高强混凝土来增加柱子的受压承载力，降低其轴压比；但由于高强混凝土材料本身的延性较差，采用时须慎重或与其他措施配合使用。

2、分体柱技术

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坏而失效，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。人为削弱抗弯强度的方法，可以在柱中沿竖向设缝，将短柱分为2 或4 个柱肢组成的分体柱，分体柱的各柱肢分开配筋。在组成分体柱的柱肢之间，可以设置一些连接键，以增强它的初期刚度和后期耗能能力。一般，连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素混凝土连接键等形式。对分体柱工作性态的理论分析和试验研究表明:采用分体柱的方法，虽然使柱子的抗剪承载力基本不变，抗弯承载力稍有降低，但是使柱子的变形能力和延性均得到显著提高，其破坏形态由剪切型转化为弯曲型，从而实现了短柱变“长柱”的设想，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。分体柱方法已在实际工程中得到应用。

3、 复合螺旋箍筋技术

通过螺旋箍筋加强对混凝土的约束作用，使混凝土的抗压承载力得到大幅提高，从而防止构件在较大剪压比情况下发生剪压破坏以改善短柱的抗震性能。加强箍筋对混凝土的约束，可提高柱子的极限变形角，增强其抗剪承载力，这也符合高层建筑框架柱应满足剪压比限值和“强剪弱弯”的要求。

4、钢骨混凝土柱技术和钢管混凝土柱技术

相关研究结果表示，钢骨高强混凝土短柱的轴压比仍是影响其抗震延性的主要因素。在提高体积配箍率后，可适当提高轴压比的限值；由于钢骨的存在，高强混凝土短柱的抗震性能和抗剪性能得到了较大的提高。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扎制而成的工字形、口字形或十字形截面。在高层建筑物的抗震设计中，我们积极采用最新研究成果，在高层或超高层钢筋混凝土结构的下部若干层采用钢骨混凝土柱，充分发挥钢和混凝土两种材料的特点，大大地增强结构的延性，改善结构的抗震性能。国内学者对钢骨混凝土柱技术和钢管混凝土技术的力学性能和设计方法也进行了大量的试验和理论分析，结果发现，钢管混凝土构件的可靠指标随着混凝土强度等级的提高而提高，随着钢材强度、含钢率及套箍指标的提高而降低；此外钢材种类、荷载组合、荷载效应比等也对钢管混凝土构件的可靠指标有一定的影响。

随着我国高层、超高层建筑的迅速发展，钢骨混凝土结构和钢管混凝土结构因其承载力高、塑性和韧性好、施工方便、经济效果显著等优点，在我国的建筑行业中得到了越来越广泛的应用。它使得大跨度、大荷载情况下多、高层建筑的设计明显优化，并初步显示出其在改善结构抗震性能、减少构件截面尺寸、提高建筑的综合经济指标等方面的巨大潜力。

总而言之, 诸多措施来改变短柱的抗震性能最终不外乎改变构件的承载能力和变形能力。因为建筑物的抗震性能主要取决于结构吸收地震能量的能力，这种能力是由其承载力和变形能力的乘积决定的，因而改变构件抗震性能必须从提高承载力和变形能力入手。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，避免因为短柱问题所引发的破坏，从而改善短柱的抗震性能。

参考文献：

[1] 赵国华,史林.高层建筑抗震设计中短柱问题的处理[J]. 内蒙古科技与经济. 2008(14)

[2] 刘占宗.高层建筑短柱的抗震设计[J]. 住宅产业. 2010(06)

[3] 冷雪睿,梁宇. 混凝土短柱加强措施[J]. 中小企业管理与科技(上旬刊). 2011(07)