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[摘 要]随着我国经济的高速发展,高层、超高层建筑如雨后春笋层出不穷,重视高层结构的抗震设计是非常必要的。而短柱问题是结构工程师经常碰到却没引起足够重视的问题。本文将着重从受力、构造、新材料等方面来对高层建筑设计中短柱的处理进行阐述。
[关键词]高层建筑 设计 短柱
[中图分类号]TU[文献标识码]A[文章编号]1009-5489(2010)06-0162-01
建筑抗震设计对结构构件有明确的延性要求。轴压比和剪跨比是影响构件的两个因素,也是一对互成矛盾的因素。在层高一定的前提下,为提高延性而降低轴压比则会导致柱截内增大,而柱截内增大会导致剪跨比减小,剪跨比的减小又一定程度降低了构件的延性。在高层建筑中,为满足对柱轴压比限值的要求,柱子的截内比较大,在结构的底部往往形成短柱,甚至超短柱。例如层尚较低的设备层,竖向荷载很大的地下车库,底部形成大空间的框支转换层等都很容易出现短柱。无论是实验,还是实际震害(比如汶川的5•12大地震),均反映出短柱的延性很差,尤其是超短柱,在破坏前几乎没有明显的变形过程。短柱在遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震作用时,很容易发生剪切破坏而造成倒塌,无法满足中震可修,大震不到的设计准则。
既然短柱是抗震中的不利构件,而设计人员需要对短柱采取一些构造措施处理,就首先要能正确判定什么样的柱属于短柱。对于短柱的定义,新旧高层设计规范并不完全一致。《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》JGJ—91(以下简称旧《高规》)规定柱净高H与截内底边尺寸h之比小于4(H/h≤4)的柱为短柱。而《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2002(以下简称新《高规》)规定柱的剪跨比小于2(r=M/Vh≤2)的柱为短柱。这两者有什么异同点,下面作个简单的分析。旧《高规》按H/h≤4来判定短柱的主要依据是r=M/Vh;考虑到框架柱的反弯点大都靠近柱的中点,故近似取M=0.5Vh,则r=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2,由此得H/h≤4,但是,对高层建筑,梁、柱线刚度比较小,特别是底部几层,由于受柱底嵌固程度的影响,及梁对柱的约束弯距较小,反弯点的高度有时会比柱高的一半高得多,甚至会不出现反弯点。此时就不能用H/h≤4来判定短柱,而应该按短柱的力学定义一剪跨比r=M/Vh≤2来判定。可见,H/h≤4来判定短柱只是在某此特定条件下适用,这也是很多工程设计人员经常未引起重视的地方。
一、使用复合螺旋箍筋
《高规》对复合螺旋箍筋的定义为:复合螺旋箍筋指由螺旋箍与矩形、多边形、圆形箍或拉筋组成的箍筋;连续复合螺旋箍指全部螺旋箍由同一根钢筋加工而成的箍筋。高层建筑框架柱的抗剪能力应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求,柱端的抗弯承载力也应满足“强柱弱梁”的要求。对于短柱,如果符“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求,是能够做到使其不发生剪切破坏的。
二、采用分体柱
短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多,在地震作用下往往是因剪坏而失效,造成其抗弯强度不能充分发挥。如果人为地削弱短柱的抗弯强度,使其抗弯强度相应地低于其抗剪强度,这样,在地震作用下,柱子将先达到抗弯强度,从而呈现延性的破坏形态。人为削弱柱的抗弯强度的方法,可以在柱中沿竖向设缝将短柱分为2或4个柱肢组成的分体柱,分体柱的柱肢分开配筋。为增强分体柱的初期刚度,在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接键,一般连接键有通缝、顶制分隔板、顶应力摩擦阻尼器、素硅等形式。对分体柱工作形态的理论分析和试验研究都表明:采用分体柱的方法使柱子的抗剪承载力基本不变,抗弯承载力稍有降低,但可使柱子的变形能力和延性均得到较显著的提高,其破坏形态也由剪切型转化为弯曲型。从而实现“短柱变底柱”的设想,有效地改善了短柱,尤其是超短柱的抗震性能。
三、采用钢骨硅柱
钢骨硅柱由钢骨和外包硅组成。钢骨通常采用由钢板焊接拼制或直接轧制而成的工字钢。与钢结构相比,钢骨硅柱的外包硅可以防止钢构件的局部屈曲,提高柱的整体刚度,显著改善钢构件出平内扭转屈曲性能,使钢材的强度得以充分发挥。此外,外包硅还起到保护层的作用,增强了构件的耐久性和耐火性。与钢筋硅结构相比,由于配置了钢骨,柱子的承载力大大提高,加上钢骨本身良好的塑性,使柱子具有良好的延性及耗能能力。
四、采用钢管硅柱
钢管硅柱是由硅填入薄壁圆形钢管而形成的组合结构材料,是套箍硅的一种特殊形式。由于钢管内的硅受到钢管的侧向约束,使得硅处于三向受压状态,从而使硅的抗压强度和极限压应变得到很大的提高,硅特别是高强硅的延性得到显著改善。同时,钢管既是纵筋,又是横向箍筋,通常采用的管径与壁厚的比值至少都在90以下,这相当于配筋率至少都在4.6%以上,这远远大于抗震规范对钢筋硅柱所需要的最小配筋率限值。
五、采用隔震、消能减震设计
隔震、消能减震设计是国家推广的对抗震有较高要求时适合采用的新技术、新工艺,在地震发生比较多的国家——日本就应用很多,而且技术也日趋成熟。比如在基础上部与柱底之间设置橡胶支座隔震,可以通过这种柔性连接消耗地震能量,降低地震对上部结构的地震作用,比当地的设防烈度降低一度设防,降低短柱的地震等级,在柱的截内、配筋相同的条件下既可以达到较好的抗震性能,又可以取得较好的经济效益。
[参考文献]
[1]朱镜清.结构抗震分析原理[M].北京:地震出版社,2002.
[2]徐宜和,丁勇春.高层建筑结构抗震分析和设计的探讨[J].江苏建筑,2004(3).
[3]傅学怡.实用高层建筑结构设计[J].北京:中国建筑工业出版社,1999.
[收稿日期]2010年3月30日
[作者简介]王宇(1981～ ):男,辽宁调兵山人,沈阳筑诚国际设计有限公司助理工程师。杨洋(1982～ ):女,辽宁沈阳人,辽宁中远建筑设计有限公司助理工程师。
[关键词]高层建筑 设计 短柱
[中图分类号]TU[文献标识码]A[文章编号]1009-5489(2010)06-0162-01
建筑抗震设计对结构构件有明确的延性要求。轴压比和剪跨比是影响构件的两个因素,也是一对互成矛盾的因素。在层高一定的前提下,为提高延性而降低轴压比则会导致柱截内增大,而柱截内增大会导致剪跨比减小,剪跨比的减小又一定程度降低了构件的延性。在高层建筑中,为满足对柱轴压比限值的要求,柱子的截内比较大,在结构的底部往往形成短柱,甚至超短柱。例如层尚较低的设备层,竖向荷载很大的地下车库,底部形成大空间的框支转换层等都很容易出现短柱。无论是实验,还是实际震害(比如汶川的5•12大地震),均反映出短柱的延性很差,尤其是超短柱,在破坏前几乎没有明显的变形过程。短柱在遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震作用时,很容易发生剪切破坏而造成倒塌,无法满足中震可修,大震不到的设计准则。
既然短柱是抗震中的不利构件,而设计人员需要对短柱采取一些构造措施处理,就首先要能正确判定什么样的柱属于短柱。对于短柱的定义,新旧高层设计规范并不完全一致。《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》JGJ—91(以下简称旧《高规》)规定柱净高H与截内底边尺寸h之比小于4(H/h≤4)的柱为短柱。而《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2002(以下简称新《高规》)规定柱的剪跨比小于2(r=M/Vh≤2)的柱为短柱。这两者有什么异同点,下面作个简单的分析。旧《高规》按H/h≤4来判定短柱的主要依据是r=M/Vh;考虑到框架柱的反弯点大都靠近柱的中点,故近似取M=0.5Vh,则r=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2,由此得H/h≤4,但是,对高层建筑,梁、柱线刚度比较小,特别是底部几层,由于受柱底嵌固程度的影响,及梁对柱的约束弯距较小,反弯点的高度有时会比柱高的一半高得多,甚至会不出现反弯点。此时就不能用H/h≤4来判定短柱,而应该按短柱的力学定义一剪跨比r=M/Vh≤2来判定。可见,H/h≤4来判定短柱只是在某此特定条件下适用,这也是很多工程设计人员经常未引起重视的地方。
一、使用复合螺旋箍筋
《高规》对复合螺旋箍筋的定义为:复合螺旋箍筋指由螺旋箍与矩形、多边形、圆形箍或拉筋组成的箍筋;连续复合螺旋箍指全部螺旋箍由同一根钢筋加工而成的箍筋。高层建筑框架柱的抗剪能力应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求,柱端的抗弯承载力也应满足“强柱弱梁”的要求。对于短柱,如果符“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求,是能够做到使其不发生剪切破坏的。
二、采用分体柱
短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多,在地震作用下往往是因剪坏而失效,造成其抗弯强度不能充分发挥。如果人为地削弱短柱的抗弯强度,使其抗弯强度相应地低于其抗剪强度,这样,在地震作用下,柱子将先达到抗弯强度,从而呈现延性的破坏形态。人为削弱柱的抗弯强度的方法,可以在柱中沿竖向设缝将短柱分为2或4个柱肢组成的分体柱,分体柱的柱肢分开配筋。为增强分体柱的初期刚度,在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接键,一般连接键有通缝、顶制分隔板、顶应力摩擦阻尼器、素硅等形式。对分体柱工作形态的理论分析和试验研究都表明:采用分体柱的方法使柱子的抗剪承载力基本不变,抗弯承载力稍有降低,但可使柱子的变形能力和延性均得到较显著的提高,其破坏形态也由剪切型转化为弯曲型。从而实现“短柱变底柱”的设想,有效地改善了短柱,尤其是超短柱的抗震性能。
三、采用钢骨硅柱
钢骨硅柱由钢骨和外包硅组成。钢骨通常采用由钢板焊接拼制或直接轧制而成的工字钢。与钢结构相比,钢骨硅柱的外包硅可以防止钢构件的局部屈曲,提高柱的整体刚度,显著改善钢构件出平内扭转屈曲性能,使钢材的强度得以充分发挥。此外,外包硅还起到保护层的作用,增强了构件的耐久性和耐火性。与钢筋硅结构相比,由于配置了钢骨,柱子的承载力大大提高,加上钢骨本身良好的塑性,使柱子具有良好的延性及耗能能力。
四、采用钢管硅柱
钢管硅柱是由硅填入薄壁圆形钢管而形成的组合结构材料,是套箍硅的一种特殊形式。由于钢管内的硅受到钢管的侧向约束,使得硅处于三向受压状态,从而使硅的抗压强度和极限压应变得到很大的提高,硅特别是高强硅的延性得到显著改善。同时,钢管既是纵筋,又是横向箍筋,通常采用的管径与壁厚的比值至少都在90以下,这相当于配筋率至少都在4.6%以上,这远远大于抗震规范对钢筋硅柱所需要的最小配筋率限值。
五、采用隔震、消能减震设计
隔震、消能减震设计是国家推广的对抗震有较高要求时适合采用的新技术、新工艺,在地震发生比较多的国家——日本就应用很多,而且技术也日趋成熟。比如在基础上部与柱底之间设置橡胶支座隔震,可以通过这种柔性连接消耗地震能量,降低地震对上部结构的地震作用,比当地的设防烈度降低一度设防,降低短柱的地震等级,在柱的截内、配筋相同的条件下既可以达到较好的抗震性能,又可以取得较好的经济效益。
[参考文献]
[1]朱镜清.结构抗震分析原理[M].北京:地震出版社,2002.
[2]徐宜和,丁勇春.高层建筑结构抗震分析和设计的探讨[J].江苏建筑,2004(3).
[3]傅学怡.实用高层建筑结构设计[J].北京:中国建筑工业出版社,1999.
[收稿日期]2010年3月30日
[作者简介]王宇(1981～ ):男,辽宁调兵山人,沈阳筑诚国际设计有限公司助理工程师。杨洋(1982～ ):女,辽宁沈阳人,辽宁中远建筑设计有限公司助理工程师。