建筑結(jié)構(gòu)中短柱的界定及對(duì)改善抗震性能措施的評(píng)述

1、 對(duì)于高層建筑的底層柱, 隨著建筑物高度的增加, 其所承擔(dān)的軸力不斷增加, 要將軸壓比控制在一定的范圍內(nèi), 必然導(dǎo)致柱截面的增大, 從而形成短柱, 甚至成為剪跨比小于1.5的超短柱。根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果及以往的震害調(diào)查表明，短柱的延性很差, 在建筑遭受本地區(qū)設(shè)防烈度或高于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時(shí), 很容易發(fā)生剪切破壞而造成結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌。為了避免短柱脆性破壞問題在高層建筑中發(fā)生, 正確判定短柱, 提高鋼筋混凝土短柱特別是超短柱的抗震性能, 是目前要迫切解決的問題。大多數(shù)工程技術(shù)人員都按凈高H 與截面高度h 之比4來判定為短柱, 其實(shí)這是不準(zhǔn)確的。因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)中短柱的界定及對(duì)改善抗震性能措

2、施的評(píng)述Circumscription of short pillar and the review of measures no how to inprove the seismic behavior摘要:建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特別是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中, 在結(jié)構(gòu)底部或者設(shè)備轉(zhuǎn)換層常常形成短柱, 本文依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及國(guó)內(nèi)外關(guān)于柱抗震性能的研究成果, 以及作者的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn), 提出如何界定短柱及幾種如何改善提高短柱抗震性能的措施, 從而使廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員更好的把握短柱設(shè)計(jì), 使短柱避免發(fā)生脆性破壞, 保證結(jié)構(gòu)安全。關(guān)鍵詞:高層建筑; 破壞形式; 界定; 剪跨比; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 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中圖分類號(hào):TU224文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)：1003-8965（2009）02-0054-04余建(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 廣東廣州510060 綜述54 圖1反彎點(diǎn)在柱高中部的柱圖2反彎點(diǎn)在柱高不同部

6、位的柱確定是不是短柱的參數(shù)是柱的剪跨比, 只有剪跨比=M/Vh2的柱才是短柱, 而柱凈高與截面高度之比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來判定的主要依據(jù)是:=M/Vh2; 考慮到框架柱反彎點(diǎn)大都靠近柱中點(diǎn), 取M=0.5VH,則=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h 2, 由此即得H/h4。但是, 對(duì)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/h4來判定短柱, 而應(yīng)按短柱的力學(xué)定義, 剪跨比=M/Vh2來判定才是正確的?，F(xiàn)用圖例及公式說

7、明柱反彎點(diǎn)在柱跨中部以及不在柱跨中部時(shí)柱子剪跨比的計(jì)算方法。1.1反彎點(diǎn)在柱中部據(jù)混凝土規(guī)范第7.5.12條, 對(duì)反彎點(diǎn)位于柱高中部的框架結(jié)構(gòu)中的框架柱, 其計(jì)算截面的剪跨比可按下式求得:=H n o(1式中Hn 框架柱的凈高;h o 柱截面的有效高度。由圖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, 只有對(duì)反彎點(diǎn)位于柱高中部的柱, 才可應(yīng)用(公式1 來求得計(jì)算截面的剪跨比。1.2反彎點(diǎn)不在柱中部由于建筑層高及柱截面大小問題, 其框架柱所承受的彎矩反彎點(diǎn)不一定在柱高的中部(如圖2所示 。因此, 對(duì)框-剪結(jié)構(gòu)中的框架柱, 其計(jì)算截面的剪跨

8、比應(yīng)按高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程公式(6.2.6-4求得。=M c 0公式（2 式中M c 柱端截面組合彎矩設(shè)計(jì)值, 可取柱上、下端的較大值;V c 柱端截面與組合彎矩設(shè)計(jì)值對(duì)應(yīng)的組合剪力設(shè)計(jì)值;h 0梁、柱截面計(jì)算方向有效高度。其中M c 不需要按高規(guī)第6.2.1、6.2.2、6.2.4條的調(diào)整。由此可知, 當(dāng)柱反彎點(diǎn)不位于柱高中部時(shí), 用公式（2 來計(jì)算截面的剪跨比才是正確的。2.1箍筋加密方式大量試驗(yàn)研究及震害表明, 配箍率是影響鋼筋混凝土柱抗震性能的重要因素之一。隨著配箍率的增加, 柱的抗剪承載力及延性均可有效提高。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

9、的約束作用, 達(dá)到改善延性及提高抗震性能的目的。這種做法可以有效提高短柱的抗震性能, 但該法施工復(fù)雜, 費(fèi)工費(fèi)料, 且需綜述55專門的制作螺旋箍的設(shè)備。連續(xù)的矩形螺旋箍以及連續(xù)的菱形復(fù)合螺旋箍雖能較為有效地提高RC 柱的抗震性能。工程中常用來提高柱抗震性能的復(fù)合箍有井字復(fù)合箍、十字拉鉤復(fù)合箍、菱形復(fù)合箍、八角形復(fù)合箍, 其中以井字型和十字拉鉤型效果最好, 但復(fù)合箍一般僅對(duì)1.52的短柱有效, 而對(duì)1.5的短柱效果不理想。2.2配置“X ”筋、芯柱和分體柱通過將部分縱筋沿柱對(duì)角線方向成斜向交叉配置, 使部分縱筋內(nèi)移并使粘結(jié)應(yīng)力分布到截面混凝土內(nèi)部, 形成“X ”筋配置(圖3 。這樣既可以避免密排

10、縱筋造成的排列困難及可能引起的粘結(jié)破壞, 又可使“X ”形縱筋承擔(dān)一部分剪力, 從而避免構(gòu)件發(fā)生剪切型破壞1。此外, 采用核芯配置縱筋和箍筋形成芯柱(圖4a 以提高RC 的承載能力及改善RC 柱的抗震性能, 國(guó)內(nèi)外較早就有應(yīng)用和研究。該做法在柱中三分之一左右核心部位配置的縱向鋼筋, 可大大分擔(dān)混凝土承擔(dān)的豎向荷載, 增強(qiáng)承載穩(wěn)定性, 改善延性。鋼筋混凝土分體柱技術(shù)就是采用隔板將矩形柱截面劈分成2根或4根獨(dú)立配筋的等截面單元柱, 使短柱的剪跨比增大1倍, 直接變短柱為“長(zhǎng)柱”(圖4b 。試驗(yàn)研究表明:分體柱具有理想的變形能力, 延性系數(shù)可達(dá)到4.0。同時(shí), 分體柱還可在一定程度上緩解上下層側(cè)向剛

11、度較大的問題, 比如可在層高較小的設(shè)備層采用分體柱以避免形成短柱, 同時(shí)可改善設(shè)備層上下層側(cè)向剛度差異。2.3SRC 和CSRC 柱采用型鋼混凝土(SRC的方法來提高鋼筋混凝土柱軸壓比限值和抗剪承載能力以改善延性, 在超高層建筑中已有不少應(yīng)用。配置在柱中的型鋼, 可用來承擔(dān)軸向壓力, 與鋼筋混凝土共同承擔(dān)外荷載而形成混合結(jié)構(gòu), 從而減小柱截面, 增大柱的剪跨比, 避免短柱出現(xiàn)。另外, 即使是相同的剪跨比, 由于混凝土承擔(dān)的軸向壓力減小, 也使柱子的延性得到提高, 加上鋼骨本身有良好的抗剪承載力及延性, 使柱子的抗剪承載力和延性均有較大的提高。由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)等原因, 型鋼混凝土等組合結(jié)構(gòu)目前在

12、我國(guó)小高層住宅和多層辦公樓的工程實(shí)踐中應(yīng)用還較少。為此, 在鋼筋混凝土柱中配置小截面型鋼,形成核心型鋼混凝土(CSRC得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。該方法相對(duì)其它結(jié)構(gòu), 有以下突出優(yōu)點(diǎn):(1相對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu), 由于配鋼截面尺寸和配鋼率較低(2%4%左右 , 采用CSRC 結(jié)構(gòu)可有效降低結(jié)構(gòu)建造成本; 其次由于型鋼截面尺寸較小, 在SRC 柱SRC(RC梁節(jié)點(diǎn)處,SRC(RC梁中縱向受力鋼筋能方便地在節(jié)點(diǎn)區(qū)貫通, 實(shí)現(xiàn)在較少打孔或不打孔的情況下縱向受力鋼筋的連續(xù)穿過, 解決了SRC 結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、施工困難等方面的問題; 同時(shí)由于型鋼截面尺寸較小, 型鋼保護(hù)層厚度相對(duì)較大, 因此型鋼與混凝土之間的粘

13、結(jié)作用可以得到有效提高, 使結(jié)構(gòu)在地震作用下具有較好的延性, 并可大大減小柱端剪力連接件的設(shè)置數(shù)量, 能有效降低成本和提高施工進(jìn)度。(2相對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu), 采用CSRC 結(jié)構(gòu)能降低結(jié)構(gòu)建造成本;CSRC 結(jié)構(gòu)具有非常好的防火性能, 能有效減小防火涂料的造價(jià);(3相對(duì)核芯鋼管混凝土結(jié)構(gòu),CSRC 結(jié)構(gòu)在截面形式上更加靈活, 適合于T 形、L 形以及十字形等不同截面形式構(gòu)件以及柱、剪力墻暗柱、異形柱和短肢剪力墻暗柱等不同類型構(gòu)件, 可以避免核心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)澆注混凝土帶來的諸多施工困難。目前, 核心型鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和理論研究還較少, 要在實(shí)際工程中得以推廣, 還需要進(jìn)一步的研究。2.4鋼管混凝土柱利

14、用約束混凝土的概念, 通過鋼和混凝土的組合, 形成鋼管混凝土柱。鋼管混凝土柱承載力高, 延性好, 施工方便, 經(jīng)濟(jì)效益好。在1995年的阪神地震中, 鋼管混凝土顯示了其優(yōu)越的抗震性能, 因此倍受國(guó)內(nèi)外工程師的推崇。但鋼管混凝土也有用鋼量大, 造價(jià)高, 節(jié)點(diǎn)處理困難, 防火涂料昂貴等不足, 這在一定程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。在鋼管混凝土工程中采用薄壁鋼管, 可以減少鋼材用量, 減輕焊接工作量, 達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。2.5FRP 橫向外包柱近幾年來國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP加固鋼筋混凝土短柱抗震性能的研究工作, 這些研究工作表明,FRP 橫向外包的方法也是一種非常實(shí)用和有效的短

15、柱抗震加固方法, 并且在許多實(shí)際工程中得到了應(yīng)用。FRP 約束鋼筋混凝土綜述56 圖3X 形配箍柱a b圖4RC 芯柱和分體柱豎筋X 筋隔板柱主要有兩種應(yīng)用形式, 一種是在構(gòu)件外直接包裹FRP 布, 形成FRP 約束混凝土; 另一種是在FRP 管中澆筑混凝土使其形成FRP 管約束混凝土。FRP 既可加固圓柱, 也可加固方柱, 既可全外包, 也可分段外包。FRP 套管混凝土不僅可用于加固既有混凝土柱, 也可在新建工程中應(yīng)用FRP 。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料種類較多, 如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP 、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP、芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(KFRP及玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(BFRP等。目前

16、, 工程應(yīng)用和研究較為成熟的是CFRP, 由于CFRP 彈性模量大、強(qiáng)度高, 使其對(duì)混凝土的約束效果比鋼材要好, 因此可用于改善短柱的抗震性能。由于CFRP 的脆性性能, 在一定程度上影響了其抗震加固的使用范圍。同時(shí), 由于其粘合結(jié)構(gòu)膠的抗火性能極差, 價(jià)格較為昂貴, 施工質(zhì)量要求較高又難于確保, 粘結(jié)劑耐久性差等缺點(diǎn)也在一定程度上影響了CFRP 加固既有混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用的繼續(xù)推廣。（1）確定是不是短柱不宜按H/h4來判別，而應(yīng)按剪跨比=M/Vh2來判別。一般情況下，可采用本文公式(1來判別。當(dāng)初步判別屬于反彎點(diǎn)不在跨中的短柱時(shí), 應(yīng)按本文公式(2來判別。（2）當(dāng)按剪跨比判定柱子不是短柱時(shí)，按一般框架柱的抗震要求采取構(gòu)造措施即可；確為短柱，就應(yīng)當(dāng)盡量提高短柱的承載力，減小短柱的截面尺寸，采取各種有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。使用復(fù)合螺旋箍筋、采用分體柱技術(shù)，均可有效地改善短柱的抗震性能；采用鋼骨混凝土、鋼管混凝土; 采用FRP 橫向外包柱等新結(jié)構(gòu)，可顯著提高柱的承載力，減少柱截面尺寸，避免在結(jié)構(gòu)下部出現(xiàn)短柱尤其是超短柱。因此，在高