潘 艷 曾麒中 羅冠洲

（中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 湖南省長(zhǎng)沙市雨花區(qū) 410007）

引言

高層建筑結(jié)構(gòu)作為當(dāng)前我國(guó)最常見的建筑結(jié)構(gòu)，是促進(jìn)城市現(xiàn)代化建設(shè)的重要方式。由于高層建筑結(jié)構(gòu)選材廣泛、施工技術(shù)成熟、造價(jià)低廉，在當(dāng)前建筑行業(yè)應(yīng)用廣泛。但是由于高層建筑結(jié)構(gòu)非常容易受到地震的影響而出現(xiàn)破壞，對(duì)人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)造成威脅。短柱問題在高層建筑中常常會(huì)出現(xiàn)，由于短柱截面較大，剪跨度比較小，延性低，很容易在地震發(fā)生時(shí)發(fā)生脆性破壞。

1 高層建筑抗震設(shè)計(jì)中短柱問題

在高層建筑抗震設(shè)計(jì)過程中，柱凈高與截面高度比值不大于4，可以判定為短柱。通常情況下高層建筑由于梁比較小，尤其是底部的嵌固結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致梁對(duì)柱產(chǎn)生的約束彎距較小，這樣也會(huì)造成柱的反彎點(diǎn)要高出柱中點(diǎn)。甚至很多的高層建筑柱中不存在反彎點(diǎn)。在這種情況下對(duì)于短柱的判斷無法按照柱凈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。

如果框架柱反彎點(diǎn)距離柱中點(diǎn)比較遠(yuǎn)，柱的上下截面彎矩值會(huì)出現(xiàn)異常，其剪跨比也會(huì)存在差異。如果要判斷該處是否為短柱，必須要選擇上下截面最大剪跨比進(jìn)行判斷。如果發(fā)現(xiàn)連續(xù)剪跨不變而截面出現(xiàn)上下配置的縱筋相同，則彎矩較大的區(qū)域很容易發(fā)生剪切破壞的問題。在框架柱中彎矩較大的區(qū)域也會(huì)因?yàn)榕R界斜裂縫而產(chǎn)生問題。從當(dāng)前實(shí)際情況來看，柱高或者出現(xiàn)連續(xù)梁剪跨區(qū)間彎曲越大則區(qū)域剪跨比越大。隨著剪跨比的增加混凝土的抗剪能力也會(huì)變小，導(dǎo)致承受能力因?yàn)榧羟衅茐牡挠绊懺斐蓮澢兇?，所以必須要根?jù)截面的最大剪跨比判斷是否存在短柱的問題。一般情況下，在高層建筑內(nèi)框架柱的反彎點(diǎn)會(huì)比較高，由于柱上截面彎矩值比下截面彎矩值要小，所以經(jīng)過判斷下截面的剪跨比要小于2。另一種辦法則是根據(jù)判斷柱凈高與截面高度比是否為小于2的反彎點(diǎn)高度，如果反彎點(diǎn)在柱中點(diǎn)，則柱凈高應(yīng)該與截面高度比值小于4，如果反彎點(diǎn)在柱上段，則柱凈高與截面高度比值應(yīng)該小于2，如果不存在反彎點(diǎn)則截面最大剪跨比，應(yīng)該按照小于2的方式來判斷。

實(shí)際工程中，一般在下列幾個(gè)位置容易出現(xiàn)短柱：結(jié)構(gòu)錯(cuò)層標(biāo)高差較小處；層高較小的設(shè)備層處；結(jié)構(gòu)底層柱截面較大處；框架柱間砌筑不到頂?shù)母魤?、窗間墻以及樓梯間休息平臺(tái)處；采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂?shù)交A(chǔ)梁處等等。同時(shí)還應(yīng)注意計(jì)算的方向，柱子的截面高度應(yīng)選取沿填充墻平面內(nèi)的柱子截面尺寸，而不是選取柱子截面尺寸最大值。

延性是指結(jié)構(gòu)，構(gòu)件或構(gòu)件的某個(gè)截面從屈服開始到達(dá)最大承載能力或到達(dá)以后而承載能力還沒有明顯下降期間的變形能力。延性好的結(jié)構(gòu)，構(gòu)件或構(gòu)件的某個(gè)截面的后期變形能力大，在達(dá)到屈服或最大承載能力狀態(tài)后仍能吸收一定量的能量，能避免脆性破壞的發(fā)生。所以可以通過提高短柱的延性來提高短柱的抗震性能。由于延性的主要影響因素是軸壓比與剪跨比，所以在保證短柱截面承載力設(shè)計(jì)過程中可以通過控制這兩個(gè)比值來提高短柱的延性。

2 如何改善短柱抗震性能

2.1 配置復(fù)合螺旋箍筋

高層建筑框架柱的剪力必須要滿足剪壓比限值，同時(shí)要提高抗彎能力。由于柱段的抗彎承載能力符合強(qiáng)柱弱梁的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于短柱來說只要其同時(shí)能夠滿足強(qiáng)剪弱彎以及強(qiáng)柱弱梁的條件，就能有效約束剪切破壞引起的結(jié)構(gòu)位移，復(fù)合螺旋箍筋的整體連續(xù)特性，能夠有效保證柱子的抗剪承載力，改進(jìn)混凝土的約束力從而能夠顯著提高構(gòu)件的承載力及抗破壞能力，進(jìn)而達(dá)到超越普通混凝土構(gòu)件的抗震效果。

2.2 分體柱

高層建筑中短柱抗彎性能要比抗剪性能更好，但是因?yàn)樵诘卣鹣陆?jīng)常會(huì)呈現(xiàn)剪切破壞，所以在地震中抗彎性能無法有效的提高高層建筑的抗震質(zhì)量，為了有效避免高層建筑在地震中受到破壞，可以通過削弱短柱的抗彎強(qiáng)度來增加抗剪強(qiáng)度，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，短柱的抗彎強(qiáng)度會(huì)首先達(dá)到極限，剪切破壞會(huì)變?yōu)檠有云茐?，而通過削弱短柱增強(qiáng)抗彎強(qiáng)度時(shí)，可以利用分柱體的辦法。首先沿著豎直方向，在短柱中設(shè)置縫隙，將短柱分割成2～4個(gè)柱肢。其次在分體柱的各柱之中進(jìn)行配筋，提高分體柱的初期剛度和后期性能。通過利用分體柱的方式，盡管沒有能夠有效改變短柱的抗剪強(qiáng)度，使得短柱的抗剪強(qiáng)度下降。但是經(jīng)過實(shí)踐證明，分體柱的變形能力和延展性能都有明顯提高，而短柱所受到破壞也會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐摹?shí)現(xiàn)了短柱變長(zhǎng)柱的效果，而且增加了短柱的抗震性能。

2.3 鋼骨混凝土柱

鋼骨混凝土柱由鋼骨和外包混凝土兩部分共同組成，鋼骨通常由鋼板焊接構(gòu)成或者直接通過壓制的方式，形成工字、口字或者十字的截面，外包混凝土主要是能夠提高短柱的整體剛度，保證鋼構(gòu)件平面的彎扭曲承載力，避免出現(xiàn)局部屈曲的情況，同時(shí)保證鋼材能夠充分發(fā)揮出強(qiáng)度的性能。鋼骨混凝土的鋼材要比一般的鋼結(jié)構(gòu)使用更少，提高了建筑結(jié)構(gòu)的綠色環(huán)保水平，由于外包混凝土部分屬于耐久性與耐火性的材料，提高了整個(gè)鋼骨混凝土柱的使用壽命。同時(shí)配置鋼骨的混凝土要比一般的鋼筋混凝土強(qiáng)度更高，提高了柱子的承載力，保證柱子截面的尺寸變小，而鋼骨混凝土和箍筋能夠更好的約束混凝土，保證其延展性得到增強(qiáng)。鋼骨混凝土柱兼具鋼與混凝土的優(yōu)點(diǎn)，不僅截面小、重量輕、延性好，而且造價(jià)成本低廉，符合建筑生命周期的建筑要求。提高了建筑整體的抗震能力。

3 提高高層建筑的抗震性能

3.1 合理設(shè)置高層建筑結(jié)構(gòu)的縱橫墻

與建筑平面和立面相類似，縱橫墻作為高層建筑結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能也有著非常關(guān)鍵的作用，在通常情況下，必須要保證縱橫墻的設(shè)置受力均勻，并且能夠通過縱橫墻共同承擔(dān)高層建筑結(jié)構(gòu)的荷載。從目前來看，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)置依然會(huì)采取單一的縱墻或者橫墻的方式來承重。這樣不僅會(huì)導(dǎo)致整個(gè)空間的承重性能較差，而且還影響了整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。為此在進(jìn)行墻體布置的過程中，必須要合理的將縱墻與橫墻進(jìn)行適當(dāng)搭配，避免了墻體變形，從而提高多層建柱高層建筑結(jié)構(gòu)的一體性。同時(shí)通過合理設(shè)置縱橫墻還能夠提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪性能。如果高層建筑結(jié)構(gòu)存在特殊的情況，也就是縱墻不能夠有效貫通，則可以通過縱橫墻交接的地方設(shè)置配筋的方式。同時(shí)也要注意不能夠在縱墻或者橫墻設(shè)置較大的洞口。

3.2 提升高層建筑結(jié)構(gòu)的整體性

一般來說，具整體性較高的結(jié)構(gòu)具有較高的抗震性能。由于高層建筑結(jié)構(gòu)一體性設(shè)置較差，很容易影響整體建筑的抗震性。所以通常情況下利用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的方式，可以提高高層建筑結(jié)構(gòu)水平剛度。同時(shí)利用現(xiàn)澆鋼筋混凝土的方式，還能夠避免出現(xiàn)平滑散落的問題。針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)能夠有效的提升墻體的剛度，并且實(shí)現(xiàn)力的水平傳播，并且認(rèn)真按照相關(guān)的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工。

3.3 增加墻體面積、提高砂漿強(qiáng)度

通過對(duì)于前幾次比較大的地震災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查研究，我們能夠發(fā)現(xiàn)，如果多層磚混結(jié)構(gòu)，房屋建筑的墻體面積越大則砂漿的強(qiáng)度等級(jí)越高。這樣高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力效果越好。所以必須要積極提高墻體面積并且增加砂漿強(qiáng)度，從而有效避免地震對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的破壞。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，如果六層磚混結(jié)構(gòu)房屋建筑最主要的就是影響一層和二層，而上面幾層的房屋則不會(huì)受到地震的影響，所以在實(shí)際多層磚混結(jié)構(gòu)房屋建筑的設(shè)計(jì)過程中，必須要加強(qiáng)對(duì)于一層二層等底層的建筑結(jié)構(gòu)的墻體承載面積，提高砂漿的強(qiáng)度等級(jí)。

3.4 新型抗震技術(shù)

隨著技術(shù)水平的不斷提升，更多復(fù)合材料能夠在高層建筑結(jié)構(gòu)之中應(yīng)用。一方面，新型復(fù)合結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量非常輕，并且厚度非常小。同時(shí)在針對(duì)材料進(jìn)行加固之前不需要針對(duì)材料進(jìn)行預(yù)加工，減少加工成本。另外復(fù)合材料的強(qiáng)度非常高，同時(shí)具有良好的耐腐蝕性和抗壓能力。復(fù)合材料的模型可以定做，不受到施工條件的限制，對(duì)于施工的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的影響較少。

4 結(jié)論

本文針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中短柱問題存在的問題進(jìn)行深入的分析，從而有效提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，所以必須利用現(xiàn)代化的抗震加固技術(shù)措施來改變高層建筑結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)。

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