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        高層建筑設(shè)計中短柱的判定及處理

        2009-06-12 09:46:28何競鋒
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2009年9期
        關(guān)鍵詞:短柱高層建筑設(shè)計

        何競鋒

        摘 要 :隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,特別是珠江三角洲,高層、超高層建筑如雨后春筍層出不窮。珠江三角洲地處我國的七度抗震設(shè)防區(qū),為貫徹執(zhí)行《中華人民共和國防震減災(zāi)法》并實行預(yù)防為主的方針,重視高層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計是非常必要的。而“短柱”問題是結(jié)構(gòu)工程師經(jīng)常碰到卻沒引起足夠重視的問題。下面我將結(jié)合個人及我們設(shè)計院的一些經(jīng)驗,簡單談?wù)劯邔咏ㄖO(shè)計中短柱的判定及處理。

        關(guān)鍵詞:高層建筑;設(shè)計;短柱

        建筑抗震設(shè)計對結(jié)構(gòu)構(gòu)件有明確的延性要求。軸壓比和剪跨比是影響構(gòu)件的兩個因素,也是一對互成矛盾的因素。在層高一定的前提下,為提高延性而降低軸壓比則會導(dǎo)致柱截面增大,而柱截面增大會導(dǎo)致剪跨比減小,剪跨比的減小又一定程度降低了構(gòu)件的延性。在高層建筑中,為滿足對柱軸壓比限值的要求,柱子的截面比較大,在結(jié)構(gòu)的底部往往形成短柱,甚至超短柱。例如層高較低的設(shè)備層,豎向荷載很大的地下車庫,底部形成大空間的框支轉(zhuǎn)換層等都很容易出現(xiàn)短柱。無論是實驗,還是實際震害(比如汶川的5.12大地震),均反映出短柱的延性很差,尤其是超短柱,在破壞前幾乎沒有明顯的變形過程。短柱在遭受本地區(qū)設(shè)防烈度或高于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震作用時,很容易發(fā)生剪切破壞而造成倒塌,無法滿足“中震可修,大震不到”的設(shè)計準則。

        既然短柱是抗震中的不利構(gòu)件,而設(shè)計人員需要對短柱采取一些構(gòu)造措施處理,就首先要能正確判定什么樣的柱屬于短柱。對于對短柱的定義,新舊高層設(shè)計規(guī)范并不完全一致?!朵摻罨炷粮邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》JGJ-91(以下簡稱舊《高規(guī)》)規(guī)定柱凈高H與截面長邊尺寸h之比小于4(H/h≤4)的柱為短柱。而《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2002(以下簡稱新《高規(guī)》)規(guī)定柱的剪跨比小于2(λ=M/Vh≤2)的柱為短柱。這兩者有什么異同點,下面作個簡單的分析。舊《高規(guī)》按H/h≤4來判定短柱的主要依據(jù)是:(1)λ=M/Vh≤2;(2)考慮到框架柱的反彎點大都靠近柱的中點,故近似取M=0.5VH,則λ=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2,由此得H/h≤4。但是,對于高層建筑,梁、柱線剛度比較小,特別是底部幾層,由于受柱底嵌固程度的影響,及梁對柱的約束彎距較小,反彎點的高度有時會比柱高的一半高得多,甚至?xí)怀霈F(xiàn)反彎點。此時就不能用H/h≤4來判定短柱,而應(yīng)該按短柱的力學(xué)定義--剪跨比λ=M/Vh≤2來判定。可見,H/h≤4來判定短柱只是在某些特定條件下適用,這也是很多工程設(shè)計人員經(jīng)常未引起重視的地方。

        當按剪跨比判定柱子不是短柱時,按一般框架柱的抗震要求采取構(gòu)造措施即可。當按剪跨比判定柱子屬于短柱時,接下來就需要采取一些必要的改善短柱抗震性能的措施。下面將從受力、構(gòu)造、新材料等方面來闡述。

        1 使用(連續(xù))復(fù)合螺旋箍筋

        《高規(guī)》對(連續(xù))復(fù)合螺旋箍筋的定義為:復(fù)合螺旋箍筋指由螺旋箍與矩形、多邊形、圓形箍或拉筋組成的箍筋;連續(xù)復(fù)合螺旋箍指全部螺旋箍由同一根鋼筋加工而成的箍筋。高層建筑框架柱的抗剪能力應(yīng)該滿足剪壓比限值和“強剪弱彎”要求,柱端的抗彎承載力也應(yīng)滿足“強柱弱梁”的要求。對于短柱,如果符合“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的要求,是能夠做到使其不發(fā)生剪切破壞的。因此,使用(連續(xù))復(fù)合螺旋箍筋來提高柱子的抗剪承載力,改善對砼的約束作用,能夠達到改善短柱抗震性能的目的。

        2 采用分體柱

        短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多,在地震作用下往往是因剪壞而失效,造成其抗彎強度不能充分發(fā)揮。如果人為地削弱短柱的抗彎強度,使其抗彎強度相應(yīng)的低于其抗剪強度,這樣,在地震作用下,柱子將首先達到抗彎強度,從而呈現(xiàn)延性的破壞形態(tài)。人為削弱柱的抗彎強度的方法,可以在柱中沿豎向設(shè)縫將短柱分為2或4個柱肢組成的分體柱,分體柱的柱肢分開配筋。為增強分體柱的初期剛度,在組成分體柱的柱肢之間可以設(shè)置一些連接鍵,一般連接鍵有通縫、預(yù)制分隔板、預(yù)應(yīng)力摩擦阻尼器、素砼等形式。對分體柱工作形態(tài)的理論分析和試驗研究都表明:采用分體柱的方法使柱子的抗剪承載力基本不變,抗彎承載力稍有降低,但可使柱子的變形能力和延性均得到較顯著的提高,其破壞形態(tài)也由剪切型轉(zhuǎn)化為彎曲型。從而實現(xiàn)短柱變“長柱”的設(shè)想,有效地改善了短柱,尤其是超短柱(λ=M/Vh≤1.5)的抗震性能。

        3 采用鋼骨砼柱

        鋼骨砼柱由鋼骨和外包砼組成。鋼骨通常采用由鋼板焊接拼制或直接軋制而成的工字鋼。與鋼結(jié)構(gòu)相比,鋼骨砼柱的外包砼可以防止鋼構(gòu)件的局部屈曲,提高柱的整體剛度,顯著改善鋼構(gòu)件出平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能,使鋼材的強度得以充分發(fā)揮。此外,外包砼還起到保護層的作用,增強了構(gòu)件的耐久性和耐火性。與鋼筋砼結(jié)構(gòu)相比,由于配置了鋼骨,柱子的承載力大大提高,加上鋼骨本身良好的塑性,使柱子具有良好的延性及耗能能力。因為鋼骨砼柱能充分發(fā)揮鋼與砼兩種材料的優(yōu)點,具有截面尺寸小,自重輕,延性好以及優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟指標等特點,如果在高層或超高層鋼筋砼結(jié)構(gòu)底部采用鋼骨砼柱,可以大大減小柱的截面尺寸,顯著改善柱子抗震性能。

        4 采用鋼管砼柱

        鋼管砼柱是由砼填入薄壁圓形鋼管而形成的組合結(jié)構(gòu)材料,是套箍砼的一種特殊形式。由于鋼管內(nèi)的砼受到鋼管的側(cè)向約束,使得砼處于三向受壓狀態(tài),從而使砼的抗壓強度和極限壓應(yīng)變得到很大的提高,砼特別是高強砼的延性得到顯著改善。同時,鋼管既是縱筋,又是橫向箍筋,通常采用的管徑與壁厚的比值至少都在90以下,這相當于配筋率至少都在4.6%以上,這遠遠大于抗震規(guī)范對鋼筋砼柱所需要的最小配筋率限值。由于鋼管砼柱的抗壓強度和變形能力很佳,即使在高軸壓比條件下,仍可形成在受壓區(qū)發(fā)展塑性變形的“壓鉸”,不會出現(xiàn)受壓區(qū)先破壞的問題,也不會出現(xiàn)像鋼柱那樣受壓翼緣屈曲失穩(wěn)的問題。因此,從保證控制截面的轉(zhuǎn)動能力而言,無需限制軸壓比限值。

        5 采用隔震、消能減震設(shè)計

        隔震、消能減震設(shè)計是國家推廣的對抗震有較高要求時適合采用的新技術(shù)、新工藝,在比較多地震的國家日本就應(yīng)用很多,而且技術(shù)也日趨成熟。比如在基礎(chǔ)上部與柱底之間設(shè)置橡膠支座隔震,可以通過這種柔性連接消耗地震能量,降低地震對上部結(jié)構(gòu)的地震作用,比當?shù)氐脑O(shè)防烈度降低一度設(shè)防,降低短柱的地震等級,在柱的截面、配筋相同的條件下既可以達到較好的抗震性能,又可以取得較好的經(jīng)濟效益。

        綜合以上的分析可得出:(1)判別是不是短柱,不宜按H/h≤4來判定,而應(yīng)按λ=M/Vh≤2來判定;(2)當已判定某柱為短柱時,可以使用(連續(xù))復(fù)合螺旋箍筋,采用分體柱等技術(shù)手段來有效的改善短柱的抗震性能;(3)采用鋼骨砼、鋼管砼的新結(jié)構(gòu)形式,減小柱截面尺寸,提高柱的承載力,避免在結(jié)構(gòu)底部出現(xiàn)短柱,尤其是超短柱;(4)采用隔震、消能減震設(shè)計來減小地震對短柱的作用。因此,在高層建筑抗震設(shè)計中應(yīng)根據(jù)工程的具體情況,盡量采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)來避免短柱脆性破壞問題的發(fā)生。

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