高層建築抗震設計短柱

高層建築抗震設計短柱

在層高一定的情況下,為提高延性而降低軸壓比則會導致柱截面增大,且軸壓比越小截面越大;而截面增大導致剪跨比減小,又降低了構件的延性。因此,在高層特別是超高層建築結構設計中,為滿足規程[1]對軸壓比限值的要求,柱子的截面往往較大,在結構底部常常形成短柱甚至超短柱。

基本內容

高層建築抗震設計短柱 高層建築抗震設計短柱

另外,諸如圖書館的書庫、層高較低的儲藏室、高層建築的地下車庫等由於使用荷載大、層高較低,在設計中也不可避免地會出現短柱。眾所周知,短柱的延性很差,尤其是超短柱幾乎沒有延性,在建築遭受本地區設防烈度或高於本地區設防烈度的地震影響時,很容易發生剪下破壞而造成結構破壞甚至倒塌,無法滿足“中震可修,大震不倒”的設計準則。為了避免短柱脆性破壞問題在高層建築中發生,首先要正確判定短柱,然後對短柱採取一些構造措施或處理,提高短柱的延性和抗震性能。

正確判定

規程[1]和規範[2]都規定,柱淨高H與截面高度h之比H∶h≤4為短柱,工程界許多工程技術人員也都據此來判定短柱,這是一個值得注意的問題。因為確定是否短柱的參數是柱的剪跨比λ,只有剪跨比λ=M∶Vh≤2的柱才是短柱,而柱淨高與截面高度之比H∶h≤4的柱其剪跨比λ不一定小於2,亦即不一定是短柱。按H∶h≤4來判定的主要依據是:①λ=M∶Vh≤2;②考慮到框架柱反彎點大都靠近柱中點,取M=0.5VH,則 λ=M∶Vh=0.5VH∶Vh=0.5H∶h≤2,由此即得H∶h≤4.但是,對於高層建築,梁、柱線剛度較小,特別是底部幾層,由於受柱底嵌固的影響且梁對柱的約束彎矩較小,反彎點的高度會比柱高的一半高得多,甚至不出現反彎點,此時不宜按H∶h≤4來判定短柱,而應按短柱的力學定義——剪跨比 λ=M∶Vh≤2來判定才是正確的。

事實上,在柱高Hn或連續梁剪跨a的範圍內,最大剪跨比出現在彎矩較大區段。鋼筋砼構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,彎矩較大區段的截面抗剪承載力要比彎矩較小區段的小,在荷載作用下,如果發生剪下破壞,就只能是在彎矩較大區段上。用來判斷框架柱是否屬於短柱的剪跨比λ當然應是可能發生剪下破壞截面的剪跨比λ 。

改善措施

當按剪跨比λ判定柱子不是短柱時,按一般框架柱的抗震要求採取構造措施即可;確定為短柱後,就應當儘量提高短柱的承載力,減小短柱的截面尺寸,採取各種有效措施提高短柱的延性,改善短柱的抗震性能。

1、使用複合螺旋箍筋。高層建築框架柱的抗剪能力是應該滿足剪壓比限值和“強剪弱彎”要求的,柱端的抗彎承載力也是應該滿足“強柱弱梁”要求的。對於短柱,只要符合“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的要求,是能夠做到使其不發生剪下型破壞的。

2、採用分體柱。由於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下而失效,其抗彎強度不能完全發揮。因此,可人為地削弱短柱的抗彎強度,使抗彎強度相應於或略低於抗剪強度,這樣,在地震作用下,柱子將首先達到抗彎強度,從而呈現出延性的破壞狀態。

3、採用鋼骨砼柱。鋼骨砼柱由鋼骨和外包砼組成。鋼骨通常採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。由於鋼骨砼柱充分發揮了鋼與砼兩種材料的特點,具有截面尺寸小、自重輕、延性好以及優越的技術經濟指標等特點,如果在高層或超高層鋼筋砼結構下部的若干層採用鋼骨砼柱,可大大減小柱的截面尺寸,顯著改善結構的抗震性能。

4、採用鋼管砼柱。鋼管砼是由砼填入薄壁圓形鋼管內而形成的組合結構材料,是套箍砼的一種特殊形式。由於鋼管內的砼受到鋼管的側向約束,使砼處於三向受壓狀態,從而使砼的抗壓強度和極限壓應變得到很大提高,砼特別是高強砼的延性得到顯著改善。

總結

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

2、當按剪跨比λ判定柱子不是短柱時,按一般框架柱的抗震要求採取構造措施即可;確為短柱,就應當儘量提高短柱的承載力,減小短柱的截面尺寸,採取各種有效措施提高短柱的延性,改善短柱的抗震性能。

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