建筑结构中短柱的界定及对改善抗震性能措施的评述

1、 对于高层建筑的底层柱, 随着建筑物高度的增加, 其所承担的轴力不断增加, 要将轴压比控制在一定的范围内, 必然导致柱截面的增大, 从而形成短柱, 甚至成为剪跨比小于1.5的超短柱。根据结构构件的试验结果及以往的震害调查表明，短柱的延性很差, 在建筑遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震影响时, 很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌。为了避免短柱脆性破坏问题在高层建筑中发生, 正确判定短柱, 提高钢筋混凝土短柱特别是超短柱的抗震性能, 是目前要迫切解决的问题。大多数工程技术人员都按净高H 与截面高度h 之比4来判定为短柱, 其实这是不准确的。因为建筑结构中短柱的界定及对改善抗震性能措

2、施的评述Circumscription of short pillar and the review of measures no how to inprove the seismic behavior摘要:建筑结构设计特别是高层建筑结构设计中, 在结构底部或者设备转换层常常形成短柱, 本文依据现行规范及国内外关于柱抗震性能的研究成果, 以及作者的结构设计经验, 提出如何界定短柱及几种如何改善提高短柱抗震性能的措施, 从而使广大结构设计人员更好的把握短柱设计, 使短柱避免发生脆性破坏, 保证结构安全。关键词:高层建筑; 破坏形式; 界定; 剪跨比; 结构设计; 短柱; 抗震性能Abstract

3、 :Thebuilding structure design especially high-rise building the structure design,in the structure bottom perhaps equipments conversion layer usually formation short pillar,this text according to the current code and domestic and in -ternational concerning the pillar anti-vibration ability of resear

4、ch result,and the author's structure design experience,put forward how define how short pillar and several kind is improvement exaltation short pillar anti -vibration ability of measure,make thus large structure design the personnel is better confidence short pillar design,making the short pilla

5、r avoid occurrence brittleness break,assurance structure safety.Key words :high-risestructures;destroy forms ；circumscription;shear-span ratio ；structure design ；short pillar ；seismic be -havior中图分类号:TU224文献标识码:A文章编号：1003-8965（2009）02-0054-04余建(广州市城市规划勘测设计研究院, 广东广州510060 综述54 图1反弯点在柱高中部的柱图2反弯点在柱高不同部

6、位的柱确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比, 只有剪跨比=M/Vh2的柱才是短柱, 而柱净高与截面高度之比H/h4的柱其剪跨比不一定小于2, 亦即不一定是短柱。按H/h4来判定的主要依据是:=M/Vh2; 考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点, 取M=0.5VH,则=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h 2, 由此即得H/h4。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/h4来判定短柱, 而应按短柱的力学定义, 剪跨比=M/Vh2来判定才是正确的。现用图例及公式说

7、明柱反弯点在柱跨中部以及不在柱跨中部时柱子剪跨比的计算方法。1.1反弯点在柱中部高中部的框架结构中的框架柱, 其计算截面的剪跨比可按下式求得:=H n o(1式中Hn 框架柱的净高;h o 柱截面的有效高度。由图1可得出剪力V=2Mn代入式（1）中得:=Vh 0=2M/Hn ×h 0=2h 0由此可知, 只有对反弯点位于柱高中部的柱, 才可应用(公式1 来求得计算截面的剪跨比。1.2反弯点不在柱中部由于建筑层高及柱截面大小问题, 其框架柱所承受的弯矩反弯点不一定在柱高的中部(如图2所示 。因此, 对框-剪结构中的框架柱, 其计算截面的剪跨比应按高层建筑混凝土结构技术规程公式=M c

8、0公式（2 式中M c 柱端截面组合弯矩设计值, 可取柱上、下端的较大值;V c 柱端截面与组合弯矩设计值对应的组合剪力设计值;h 0梁、柱截面计算方向有效高度。2.1箍筋加密方式大量试验研究及震害表明, 配箍率是影响钢筋混凝土柱抗震性能的重要因素之一。随着配箍率的增加, 柱的抗剪承载力及延性均可有效提高。配置复合箍筋、复合螺旋箍或连续复合矩形螺旋箍可以对核心区混凝土形成良好的约束作用, 达到改善延性及提高抗震性能的目的。这种做法可以有效提高短柱的抗震性能, 但该法施工复杂, 费工费料, 且需综述55专门的制作螺旋箍的设备。连续的矩形螺旋箍以及连续的菱形复合螺旋箍虽能较为有效地提高RC 柱的抗

9、震性能。工程中常用来提高柱抗震性能的复合箍有井字复合箍、十字拉钩复合箍、菱形复合箍、八角形复合箍, 其中以井字型和十字拉钩型效果最好, 但复合箍一般仅对1.52的短柱有效, 而对1.5的短柱效果不理想。2.2配置“X ”筋、芯柱和分体柱通过将部分纵筋沿柱对角线方向成斜向交叉配置, 使部分纵筋内移并使粘结应力分布到截面混凝土内部, 形成“X ”筋配置(图3 。这样既可以避免密排纵筋造成的排列困难及可能引起的粘结破坏, 又可使“X ”形纵筋承担一部分剪力, 从而避免构件发生剪切型破坏1。此外, 采用核芯配置纵筋和箍筋形成芯柱(图4a 以提高RC 的承载能力及改善RC 柱的抗震性能, 国内外较早就有

10、应用和研究。该做法在柱中三分之一左右核心部位配置的纵向钢筋, 可大大分担混凝土承担的竖向荷载, 增强承载稳定性, 改善延性。钢筋混凝土分体柱技术就是采用隔板将矩形柱截面劈分成2根或4根独立配筋的等截面单元柱, 使短柱的剪跨比增大1倍, 直接变短柱为“长柱”(图4b 。试验研究表明:分体柱具有理想的变形能力, 延性系数可达到4.0。同时, 分体柱还可在一定程度上缓解上下层侧向刚度较大的问题, 比如可在层高较小的设备层采用分体柱以避免形成短柱, 同时可改善设备层上下层侧向刚度差异。2.3SRC 和CSRC 柱采用型钢混凝土(SRC的方法来提高钢筋混凝土柱轴压比限值和抗剪承载能力以改善延性, 在超高

11、层建筑中已有不少应用。配置在柱中的型钢, 可用来承担轴向压力, 与钢筋混凝土共同承担外荷载而形成混合结构, 从而减小柱截面, 增大柱的剪跨比, 避免短柱出现。另外, 即使是相同的剪跨比, 由于混凝土承担的轴向压力减小, 也使柱子的延性得到提高, 加上钢骨本身有良好的抗剪承载力及延性, 使柱子的抗剪承载力和延性均有较大的提高。由于经济技术指标等原因, 型钢混凝土等组合结构目前在我国小高层住宅和多层办公楼的工程实践中应用还较少。为此, 在钢筋混凝土柱中配置小截面型钢,形成核心型钢混凝土(CSRC得到了国内外学者的重视。该方法相对其它结构, 有以下突出优点:(1相对型钢混凝土结构, 由于配钢截面尺寸

12、和配钢率较低(2%4%左右 , 采用CSRC 结构可有效降低结构建造成本; 其次由于型钢截面尺寸较小, 在SRC 柱SRC(RC梁节点处,SRC(RC梁中纵向受力钢筋能方便地在节点区贯通, 实现在较少打孔或不打孔的情况下纵向受力钢筋的连续穿过, 解决了SRC 结构在节点设计、施工困难等方面的问题; 同时由于型钢截面尺寸较小, 型钢保护层厚度相对较大, 因此型钢与混凝土之间的粘结作用可以得到有效提高, 使结构在地震作用下具有较好的延性, 并可大大减小柱端剪力连接件的设置数量, 能有效降低成本和提高施工进度。(2相对钢管混凝土结构, 采用CSRC 结构能降低结构建造成本;CSRC 结构具有非常好的

13、防火性能, 能有效减小防火涂料的造价;(3相对核芯钢管混凝土结构,CSRC 结构在截面形式上更加灵活, 适合于T 形、L 形以及十字形等不同截面形式构件以及柱、剪力墙暗柱、异形柱和短肢剪力墙暗柱等不同类型构件, 可以避免核心钢管混凝土结构浇注混凝土带来的诸多施工困难。目前, 核心型钢结构试验和理论研究还较少, 要在实际工程中得以推广, 还需要进一步的研究。2.4钢管混凝土柱利用约束混凝土的概念, 通过钢和混凝土的组合, 形成钢管混凝土柱。钢管混凝土柱承载力高, 延性好, 施工方便, 经济效益好。在1995年的阪神地震中, 钢管混凝土显示了其优越的抗震性能, 因此倍受国内外工程师的推崇。但钢管混

14、凝土也有用钢量大, 造价高, 节点处理困难, 防火涂料昂贵等不足, 这在一定程度上限制了它的广泛应用。在钢管混凝土工程中采用薄壁钢管, 可以减少钢材用量, 减轻焊接工作量, 达到降低工程造价的目的。2.5FRP 横向外包柱近几年来国内外进行了大量的纤维增强复合材料(FRP加固钢筋混凝土短柱抗震性能的研究工作, 这些研究工作表明,FRP 横向外包的方法也是一种非常实用和有效的短柱抗震加固方法, 并且在许多实际工程中得到了应用。FRP 约束钢筋混凝土综述56 图3X 形配箍柱a b图4RC 芯柱和分体柱竖筋X 筋隔板柱主要有两种应用形式, 一种是在构件外直接包裹FRP 布, 形成FRP 约束混凝土

15、; 另一种是在FRP 管中浇筑混凝土使其形成FRP 管约束混凝土。FRP 既可加固圆柱, 也可加固方柱, 既可全外包, 也可分段外包。FRP 套管混凝土不仅可用于加固既有混凝土柱, 也可在新建工程中应用FRP 。纤维增强复合材料种类较多, 如玻璃纤维增强复合材料(GFRP 、碳纤维增强复合材料(CFRP、芳纶纤维增强复合材料(KFRP及玄武岩纤维增强复合材料(BFRP等。目前, 工程应用和研究较为成熟的是CFRP, 由于CFRP 弹性模量大、强度高, 使其对混凝土的约束效果比钢材要好, 因此可用于改善短柱的抗震性能。由于CFRP 的脆性性能, 在一定程度上影响了其抗震加固的使用范围。同时, 由

16、于其粘合结构胶的抗火性能极差, 价格较为昂贵, 施工质量要求较高又难于确保, 粘结剂耐久性差等缺点也在一定程度上影响了CFRP 加固既有混凝土结构的应用的继续推广。（1）确定是不是短柱不宜按H/h4来判别，而应按剪跨比=M/Vh2来判别。一般情况下，可采用本文公式(1来判别。当初步判别属于反弯点不在跨中的短柱时, 应按本文公式(2来判别。（2）当按剪跨比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。使用复合螺旋箍筋、采用分体柱技术，均可有效地改善短柱的抗震性能；采用钢骨混凝土、钢管混凝土; 采用FRP 横向外包柱等新结构，可显著提高柱的承载力，减少柱截面尺寸，避免在结构下部出现短柱尤其是超短柱。因此，在高层建筑抗震设