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高層建筑抗震設(shè)計(jì)短柱問題的處理

2008-05-26 15:30    【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  在層高一定的情況下,為提高延性而降低軸壓比則會(huì)導(dǎo)致柱截面增大,且軸壓比越小截面越大;而截面增大導(dǎo)致剪跨比減小,又降低了構(gòu)件的延性。因此,在高層特別是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,為滿足規(guī)程[1]對(duì)軸壓比限值的要求,柱子的截面往往較大,在結(jié)構(gòu)底部常常形成短柱甚至超短柱。另外,諸如圖書館的書庫、層高較低的儲(chǔ)藏室、高層建筑的地下車庫等由于使用荷載大、層高較低,在設(shè)計(jì)中也不可避免地會(huì)出現(xiàn)短柱。眾所周知,短柱的延性很差,尤其是超短柱幾乎沒有延性,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,無法滿足“中震可修,大震不倒”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。為了避免短柱脆性破壞問題在高層建筑中發(fā)生,首先要正確判定短柱,然后對(duì)短柱采取一些構(gòu)造措施或處理,提高短柱的延性和抗震性能。

  一、短柱的正確判定

  規(guī)程[1]和規(guī)范[2]都規(guī)定,柱凈高H與截面高度h之比H∶h≤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,這是一個(gè)值得注意的問題。因?yàn)榇_定是否短柱的參數(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=0.5VH,則λ=M∶Vh=0.5VH∶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。

  事實(shí)上,在柱高Hn或連續(xù)梁剪跨a的范圍內(nèi),最大剪跨比出現(xiàn)在彎矩較大區(qū)段。鋼筋砼構(gòu)件的抗剪承載力是隨剪跨比λ增大而降低的。所以,同樣條件下,彎矩較大區(qū)段的截面抗剪承載力要比彎矩較小區(qū)段的小,在荷載作用下,如果發(fā)生剪切破壞,就只能是在彎矩較大區(qū)段上。用來判斷框架柱是否屬于短柱的剪跨比λ當(dāng)然應(yīng)是可能發(fā)生剪切破壞截面的剪跨比λ。

  二、改善短柱抗震性能的措施

  當(dāng)按剪跨比λ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;確定為短柱后,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。

  1、使用復(fù)合螺旋箍筋。高層建筑框架柱的抗剪能力是應(yīng)該滿足剪壓比限值和“強(qiáng)剪弱彎”要求的,柱端的抗彎承載力也是應(yīng)該滿足“強(qiáng)柱弱梁”要求的。對(duì)于短柱,只要符合“強(qiáng)剪弱彎”和“強(qiáng)柱弱梁”的要求,是能夠做到使其不發(fā)生剪切型破壞的。

  2、采用分體柱。由于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切而失效,其抗彎強(qiáng)度不能完全發(fā)揮。因此,可人為地削弱短柱的抗彎強(qiáng)度,使抗彎強(qiáng)度相應(yīng)于或略低于抗剪強(qiáng)度,這樣,在地震作用下,柱子將首先達(dá)到抗彎強(qiáng)度,從而呈現(xiàn)出延性的破壞狀態(tài)。

  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扎制而成的工字形、口字形、十字形截面。由于鋼骨砼柱充分發(fā)揮了鋼與砼兩種材料的特點(diǎn),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(jì)指標(biāo)等特點(diǎn),如果在高層或超高層鋼筋砼結(jié)構(gòu)下部的若干層采用鋼骨砼柱,可大大減小柱的截面尺寸,顯著改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

  4、采用鋼管砼柱。鋼管砼是由砼填入薄壁圓形鋼管內(nèi)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,使砼處于三向受壓狀態(tài),從而使砼的抗壓強(qiáng)度和極限壓應(yīng)變得到很大提高,砼特別是高強(qiáng)砼的延性得到顯著改善。

  三、小結(jié)

  1、確定是否短柱不宜按H∶h≤4來判別,而應(yīng)按剪跨比λ=M∶Vh≤2來判別。

  2、當(dāng)按剪跨比λ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。

延伸閱讀:高層 建筑 抗震
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