蔡繼倫

（貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003）

在5·12汶川大地震后，在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)房屋中大量出現(xiàn)短柱的破壞，這是因?yàn)槎讨难有院懿?，很容易發(fā)生剪切破壞而造成結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌，無法滿足“中震可修，大震不倒”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。為了避免短柱發(fā)生脆性破壞的問題，在用PKPM等設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于目前的軟件設(shè)計(jì)尚不完善，在進(jìn)行電算時(shí)，對(duì)短柱不能進(jìn)行自動(dòng)判別，必須正確判定短柱，設(shè)計(jì)人員需要利用電算結(jié)果對(duì)短柱另行設(shè)計(jì)，對(duì)各種短柱采取一些特殊構(gòu)造措施或處理，提高短柱的延性和抗震性能。

1 短柱形成原因

（1）在高層、超高層建筑中，由于設(shè)置設(shè)備層，層高矮而柱截面大形成短柱。

（2）在高層、超高層建筑中設(shè)置轉(zhuǎn)換層，由于轉(zhuǎn)換構(gòu)件（如轉(zhuǎn)換梁）過高，使得柱子的凈高變低，從而形成短柱。

（3）在建筑物中存在較大錯(cuò)層部位，如超過梁高的錯(cuò)層。

（4）長(zhǎng)短不同的柱（或樁）將坡地架空成平臺(tái)后再在其上修建建筑物，或間或單元將基礎(chǔ)設(shè)置于不同標(biāo)高處，使開間或單元標(biāo)高在各層相差一定高度的結(jié)構(gòu)體系，以及坡地的車道等都容易形成短柱。

（5）在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，柱網(wǎng)布局不合理，使得少量的框架柱承受的豎向荷載過大，為了控制柱的軸壓比，在一定的范圍內(nèi)而采取較大的柱截面；還有因柱混凝土強(qiáng)度采用的等級(jí)偏低而導(dǎo)致柱的截面偏大等。

（6）在原有鋼筋混凝土框架房屋的抗震加固中，不適當(dāng)?shù)夭捎猛獍摻罨炷?，使得柱的凈高與截面高度比小于4而形成短柱。

（7）結(jié)構(gòu)由于受力要求在框架柱間設(shè)層間梁的部位。如：樓梯間設(shè)平臺(tái)梁、門洞上設(shè)的雨篷梁，使框架的柱變成了短柱。

（8）柱子與地梁的間距處理不好時(shí)，易在柱基礎(chǔ)頂面與地梁高度范圍內(nèi)形成短柱。

（9）填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件砌筑不當(dāng)，容易形成短柱。如外縱墻墻體與框架柱的連接，采用了剛性連接；而且外縱墻又多為窗下裙墻，其剛性連接使得框架柱在窗臺(tái)標(biāo)高處形成了一個(gè)剛性支承而形成短柱。地震時(shí)，填充墻部分倒塌形成短柱。此外，填充墻砌不到頂也可能形成短柱。

2 短柱的正確判定方法

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011－2001規(guī)定，柱凈高H與截面高度h之比H/h0≤4為短柱。工程界許多工程技術(shù)人員也都據(jù)此來判定短柱，這個(gè)方法有一定局限性。因?yàn)榇_定是不是短柱的參數(shù)是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ＝M/Vh≤2的柱才是短柱，而柱凈高與截面高度之比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來判定的主要依據(jù)是：①λ＝M/Vh≤2；②考慮到框架柱反彎點(diǎn)大都靠近柱中點(diǎn)，取M＝0.5 VH，則λ＝M/Vh＝0。5 VH/Vh＝0，5H/h≤2，由此即得H/h≤4。但是，對(duì)于高層建筑，梁、柱線剛度較小，特別是底部幾層，由于受柱底嵌固的影響且梁對(duì)柱的約束彎矩較小，反彎點(diǎn)的高度會(huì)比柱高的一半高得多，甚至不出現(xiàn)反彎點(diǎn)，此時(shí)不宜按H/h≤4來判定短柱，而應(yīng)按短柱的力學(xué)定義——剪跨比λ＝M/Vh≤2來判定才是正確的。

框架柱的反彎點(diǎn)不在柱中點(diǎn)時(shí)，柱子上、下端截面的彎矩值大小就不一樣，即Mt≠M(fèi)b。因此，框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一樣的，即λ t＝Mt/Vh≠λ b＝Mb/Vh。一般情況下，在高層建筑的底部幾層，框架柱的反彎點(diǎn)都偏上，即Mb＞Mt。此時(shí)，可按式Hn/h≤2/yn（1）判定短柱。式中，yn：n層柱的反彎點(diǎn)高度比，根據(jù)幾何關(guān)系，可得：yn＝1/（1＋Ψ），其中，Ψ＝Mt/Mb，0≤Ψ≤1；Hn：n層柱的凈高。式（1）具有一般性。當(dāng)反彎點(diǎn)在柱中點(diǎn)時(shí)：Ψ＝1，yn＝0.5，式（2）即成為Hn/h≤4；當(dāng)反彎點(diǎn)在柱上端截面時(shí)，Ψ＝0，yn＝1，式（2）即成為Hn/h≤2；如果框架柱上不出現(xiàn)反彎點(diǎn)，就應(yīng)采用最大彎矩作用截面的剪跨比λ＝M/Vh≤2來判斷短柱。當(dāng)需要初步判斷框架柱是否屬于短柱時(shí)，可先按D值法確定柱子的反彎點(diǎn)高度比yn，然后按式（2）判斷短柱。

3 短柱的設(shè)計(jì)

由于目前的軟件設(shè)計(jì)尚不完善，在進(jìn)行電算時(shí)，對(duì)短柱不能進(jìn)行自動(dòng)判別，短柱需要設(shè)計(jì)人員利用電算結(jié)果單獨(dú)取出來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 短柱的承載力計(jì)算

（1）受剪截面應(yīng)滿足下式要求：

VC≤1/γRE（0.15βcfcbh0）

參見GB50010－2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《砼規(guī)》），滿足上式是保證截面最小尺寸要求，避免剪力較大時(shí)，柱可能發(fā)生斜壓破壞。

（2）考慮地震作用組合的短柱受剪承載力驗(yàn)算：

VC≤1/γRE[（1.05/λ＋1）ft bh0＋fyv（Asv/s）h0＋0.056N]VC≤1/γRE[（1.05/λ＋1）ft bh0＋fyv（Asv/s）h0－0.2N]參見《砼規(guī)》11.4.9、11.4.10

其中，λ＝Hn/2h0或 M/Vh0，λ≤1.0 取λ＝1；λ＞3.0 取λ＝3.0；式中其他參數(shù)的含義及取值詳見《砼規(guī)》。

3.2 抗震構(gòu)造措施

在此僅將短柱需要特別注意的地方指出。

（1）縱筋：宜對(duì)稱配置，且每側(cè)以配筋率不宜大于 1.2%（一級(jí)），《抗規(guī)》6.3.9。

（2）箍筋：直徑及間距要求：最低四級(jí)抗震λ≤2時(shí)，直徑應(yīng)不小于8 mm；箍筋應(yīng)全高加密，間距及直徑滿足《抗規(guī)》的要求且間距不大于100 mm，肢距不大于200 mm；體積配箍率要求：體積配箍率不應(yīng)小于1.2%，9 °時(shí)不應(yīng)小于1.5%且應(yīng)滿足《抗規(guī)》第6.3.12條要求。

（3）軸壓比：當(dāng)剪跨比λ不大于2的柱，應(yīng)比高規(guī)表6.4.2的限值降低0.05，當(dāng)剪跨比λ小于1.5時(shí)，應(yīng)專門研究并采取特殊構(gòu)造措施。

4 短柱問題的防治

根據(jù)短柱的形成原因，本文提出以下措施：

（1）對(duì)由于填充墻砌筑不當(dāng)對(duì)框架柱約束形成的短柱，墻體宜采用輕質(zhì)墻或外墻掛板，并可采用填充墻與主體結(jié)構(gòu)“柔性連接”的方法。在砌體與框架連接處采用一些柔性材料進(jìn)行連接，以減小砌體對(duì)柱的約束。同時(shí)避免因墻砌不到頂而形成的短柱。

（2）在工程選址時(shí)，如有可能，應(yīng)盡量避免選在坡度較大的山地上。

（3）避免在同一樓層中出現(xiàn)少量短柱。因?yàn)樯贁?shù)短柱的側(cè)移剛度遠(yuǎn)大于長(zhǎng)柱的側(cè)移剛度，在水平地震作用下吸收較大的水平剪力，地震時(shí)這些短柱可能遭受嚴(yán)重破壞并可能引起同樓層柱各個(gè)擊破，帶來結(jié)構(gòu)的坍塌。

（4）在現(xiàn)有鋼筋混凝土框架房屋的抗震加固中，若只有少量柱不滿足承載力的要求，可采用外包角鋼加扁綴板的方法加固，使柱的承載能力有較大提高而柱截面增大不多，避免形成短柱。

（5）加密箍筋。配置復(fù)合箍筋、復(fù)合螺旋箍或連續(xù)復(fù)合矩形螺旋箍可以對(duì)核心區(qū)混凝土形成良好的約束作用，達(dá)到改善延性及提高抗震性能的目的。

（6）提高混凝土等級(jí)。短柱的混凝土等級(jí)以提高柱的承載力，減小短柱的截面尺寸。但由于高強(qiáng)混凝土本身的延性較差，采用時(shí)須慎重或與其他措施配合使用。

（7）增加芯柱。即在柱截面中部增加設(shè)置由附加縱向鋼筋形成的芯，當(dāng)附加縱向鋼筋的總面積不小于柱截面面積的0.8%時(shí)，軸壓比限值可增加 0.05，從而減少柱截面、加大剪跨比?！痘炷烈?guī)范》表11.4.16注5。

（8）采用鋼骨混凝土柱技術(shù)和鋼管混凝土柱技術(shù)。在高層或超高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的下部若干層采用鋼骨混凝土柱，充分發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料的特點(diǎn)，大大地增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（9）鋼筋混凝土分體柱。采用分體柱的方法使柱子的變形能力和延性均得到顯著提高，其破壞形態(tài)由剪切型轉(zhuǎn)化為彎曲型，有效地改善了短柱尤其是超短柱的抗震性能。

（10）在柱中配置X筋沿柱子縱向配置X對(duì)角縱向鋼筋，可以承擔(dān)部分剪力，改善柱子的抗震性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從汶川大地震等地震災(zāi)害調(diào)查中，總結(jié)出短柱形成的原因，明確了判定短柱的方法，即短柱不宜按H/h0≤4來判定，而應(yīng)按剪跨比λ＝M/Vh≤2來判定。進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)短柱，如果實(shí)在無法避免，就要先判斷出是否是短柱，如果是短柱，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)選出最經(jīng)濟(jì)、最合理、最有效的方法來提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，達(dá)到抗震設(shè)防的“三水準(zhǔn)”原則。

1 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB5001l－2002）

2 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010－2002）

3 王麗萍、李英民等.5·12汶川地震典型山地建筑結(jié)構(gòu)房屋震害調(diào)查[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（12）：41～6

4 胡德鹿、彭軍濱.剪跨比與框－剪結(jié)構(gòu)中的短柱設(shè)計(jì)[J].陜西建筑，2008