论文部分内容阅读
【摘 要】框架结构是当前高层建筑工程施工中较为常用的一种结构方式，具有施工机械化程度高、施工方式较为灵活，效率大且质量好的优点，但在实际的工程施工和使用中，发现框架结构相较于框架-剪力墙结构体系的抗震性能较差，尤其是在出现短柱的情况下，那么如何提高高层框架结构短柱的抗震性能呢？本文就通过分析在高层框架中短柱的形成原因，探讨了提高短柱抗震性能的处理方法，以供参考借鉴。
【关键词】框架结构；短柱形成；抗震设计；处理措施
自改革开放以来，在工业和科技的发展带动下，我国建筑业也得到了很大发展，建筑设计和施工方式都有了很大的创新与进步。尤其是近几年来社会现代化建设的需求不断扩大，高层建筑的平面布置与竖向结构都更加趋于复杂化，增大了建筑结构设计施工的难度。为了满足现代建筑对空间的需求，框架结构的设计形式得到了广泛的应用和迅速的推广，这是因为框架结构对于建筑内部大空间的形成有着超于其他结构形式的优越性，使建筑的平面布置更为灵活多样。但是值得注意的是，框架结构在实际的施工中易产生短柱现象，极大的降低了框架结构的抗震性能。因此，为了提高高层框架结构的抗震性能，应尽量避免短柱的形成，但若对于已经形成短柱的结构中，就需要对短柱的抗震设计进行处理，以提高其抗震性能。
1.高层框架结构短柱的形成原因
高层框架结构中轴压比是影响框架柱破坏形态和延性的一个重要参数，定义为：
n=N/（by×hy× fc）
式中n为轴压比；
N为柱考虑地震作用组合轴力设计值；
fc为混凝土棱柱抗压强度设计值；
by，hy分别为柱截面宽和高。
高层框架结构自重很大，再加上地震作用，则上式中N，即地震作用组合轴力设计值很大，在压弯构件中，轴压比加大，意味截面上压区高度增大，当压区高度增大到一定数值时，压弯构件会从大偏压破坏向小偏压破坏状态过渡，小偏压破坏是延性很小或没有延性的脆性破坏，为了避免脆性破坏，只有降低轴压比，在柱的净高和混凝土棱柱抗压强度设计值一定的情况下，只有增大截面面积，柱一般为正方形或长宽相近的矩形，这样，柱截面的高度就会增加，这样就会产生短柱或极短柱。另外，像一些高层框架结构，如图书馆的书库、层高较低的储藏室、地下车库等使用荷载大的情况下，层高较低也会产生短柱或极短柱。
2.高层框架结构中提高短柱抗震性能的处理办法
一般来讲，在框架结构的施工中应该极力避免出现短柱或超短柱的形成，但若在实际工程施工中因为这样那样的因素而影响了施工质量，在确定了短柱的形成以后，就需要及时采取相关处理措施来增强短柱的的荷载能力，缩小短柱的截面尺寸，以增大短柱的延性，提高短柱的抗震性能。笔者在对多项出现短柱的框架结构施工项目中的短柱处理方法进行了分析研究，总结出以下几种常见的短柱抗震性能处理方法，以供借鉴。
2.1箍筋加密方式
高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求的，柱端的抗弯承载力也是应该满足“强柱弱梁”要求的。对于短柱，只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求，是能够做到使其不发生剪切型破坏的。在出现短柱的框架结构施工中，可以通过配置复合箍筋、螺旋箍方式对核心区混凝土形成良好的约束作用，继而提高短柱的抗剪承载力和延性，以达到改善抗震性能的目地。通常会采用复合箍筋，包括井字形、菱形、八角形等形状。
2.2配置“X”筋
通过将部分纵筋沿短柱对角线方向成斜向交叉配置，使部分纵筋内移并使粘结应力分布到混凝土内部，形成“X”筋配置，这样既可以避免密排纵筋造成的排列困难，及可能引起的粘结破坏，又可使“X”形纵筋承担一部分剪力，从而避免柱发生剪切破坏。
2.3采用分体柱
由于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，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度，这样，在地震作用下，柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。
人为削弱抗弯强度的方法，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，分体柱的各柱肢分开配筋。在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接件，以增强它的初期刚度和后期耗能能力。采用分体柱的方法虽然使柱子的抗剪承载力基本不变，抗弯承载力稍有降低，但是使柱子的变形能力和延性均得到显著提高，其破坏形态由剪切型转化为弯曲型，从而实现了短柱变“长柱”的设想，有效地改善了短柱尤其是剪跨比λ≤1.5的超短柱的抗震性能。
2.4采用钢骨混凝土柱
所谓钢骨混凝土柱是指以钢骨为中心，在外层进行混凝土外包而成的柱体。一般在工程中，都是以钢板焊接拼制或着以钢筋直接扎制钢骨，其形状大多呈工字形、口字形或十字形。
相较于其他的钢结构，采用钢骨混凝土柱的结构中，外包的混凝土能够有效防止钢骨在荷载加大的情况下出现局部弯曲的现象，从而使整个钢骨混凝土柱的刚度得到了增强，这对于提高钢构件的利用效率和改善钢构件易弯曲有着重要的意义。因此，在采用钢骨混凝土柱的柱体结构中，可以极大的减少钢材的使用量，节约材料，降低成本。除了这一特性，钢骨的外包混凝土也能够增强柱体结构的耐腐蚀性，降低了钢骨锈蚀的发生率，提高了结构的耐久性。
与钢筋砼结构相比，由于配置了钢骨，使柱子的承载力大大提高，从而有效地减小柱截面尺寸；钢骨翼缘与箍筋对砼有很好的约束作用，砼的延性得到提高，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。由于钢骨砼柱充分发挥了钢与砼两种材料的特点，具有截面尺寸小，自重轻，延性好以及优越的技术经济指标等特点，可以显著改善短柱结构的抗震性能。
2.5采用钢管混凝土柱
钢管砼是由砼填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍砼的一种特殊形式。由于钢管内的砼受到钢管的侧向约束，使得砼处于三向受压状态，从而使砼的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，砼特别是高强砼的延性得到显著改善。同时，钢管既是纵筋，又是横向箍筋，其管径与管壁厚度的比值至少都在90以下，这相当于配筋率至少都在4.6%以上，这远远超过抗震规范对钢筋砼柱所要求的最小配筋率限值。由于钢管砼的抗压强度和变形能力特佳，即使在高轴压比条件下，仍可形成在受压区发展塑性变形的“压铰”，不存在受压区先破坏的问题，也不存在像钢柱那样的受压翼缘屈曲失稳的问题。因此，从保证控制截面的转动能力而言，无需限定轴压比限值。当选用了高强砼和合适的套箍指标后，短柱的承载力可大幅度提高，通常柱截面可比普通钢筋砼柱减小一半以上，具有良好的抗震性能。
3.結语
总之，在钢筋混凝土框架结构的施工中，要严格按照技术规范的方法和程序进行施工作业，最大可能的减少短柱或超短柱的形成。而对于无法避免的短柱，就需要及时确定短柱，并根据所形成短柱的实际情况采取有针对性的有效措施对其进行处理，以提高短柱的抗剪承载能力，增大短柱的延性，使其抗震性能得到良好的改善，降低地震中因短柱影响而造成的损失。
【参考文献】
[1]纪英波.建筑抗震设计中结构柱的探讨[J].山西建筑，2009（13）.
[2]刘志敏，闫小兵.短柱改进措施在高层建筑抗震设计中的应用[J].科技情报开发与经济，2010（07）.
【关键词】框架结构；短柱形成；抗震设计；处理措施
自改革开放以来，在工业和科技的发展带动下，我国建筑业也得到了很大发展，建筑设计和施工方式都有了很大的创新与进步。尤其是近几年来社会现代化建设的需求不断扩大，高层建筑的平面布置与竖向结构都更加趋于复杂化，增大了建筑结构设计施工的难度。为了满足现代建筑对空间的需求，框架结构的设计形式得到了广泛的应用和迅速的推广，这是因为框架结构对于建筑内部大空间的形成有着超于其他结构形式的优越性，使建筑的平面布置更为灵活多样。但是值得注意的是，框架结构在实际的施工中易产生短柱现象，极大的降低了框架结构的抗震性能。因此，为了提高高层框架结构的抗震性能，应尽量避免短柱的形成，但若对于已经形成短柱的结构中，就需要对短柱的抗震设计进行处理，以提高其抗震性能。
1.高层框架结构短柱的形成原因
高层框架结构中轴压比是影响框架柱破坏形态和延性的一个重要参数，定义为：
n=N/（by×hy× fc）
式中n为轴压比；
N为柱考虑地震作用组合轴力设计值；
fc为混凝土棱柱抗压强度设计值；
by，hy分别为柱截面宽和高。
高层框架结构自重很大，再加上地震作用，则上式中N，即地震作用组合轴力设计值很大，在压弯构件中，轴压比加大，意味截面上压区高度增大，当压区高度增大到一定数值时，压弯构件会从大偏压破坏向小偏压破坏状态过渡，小偏压破坏是延性很小或没有延性的脆性破坏，为了避免脆性破坏，只有降低轴压比，在柱的净高和混凝土棱柱抗压强度设计值一定的情况下，只有增大截面面积，柱一般为正方形或长宽相近的矩形，这样，柱截面的高度就会增加，这样就会产生短柱或极短柱。另外，像一些高层框架结构，如图书馆的书库、层高较低的储藏室、地下车库等使用荷载大的情况下，层高较低也会产生短柱或极短柱。
2.高层框架结构中提高短柱抗震性能的处理办法
一般来讲，在框架结构的施工中应该极力避免出现短柱或超短柱的形成，但若在实际工程施工中因为这样那样的因素而影响了施工质量，在确定了短柱的形成以后，就需要及时采取相关处理措施来增强短柱的的荷载能力，缩小短柱的截面尺寸，以增大短柱的延性，提高短柱的抗震性能。笔者在对多项出现短柱的框架结构施工项目中的短柱处理方法进行了分析研究，总结出以下几种常见的短柱抗震性能处理方法，以供借鉴。
2.1箍筋加密方式
高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求的，柱端的抗弯承载力也是应该满足“强柱弱梁”要求的。对于短柱，只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求，是能够做到使其不发生剪切型破坏的。在出现短柱的框架结构施工中，可以通过配置复合箍筋、螺旋箍方式对核心区混凝土形成良好的约束作用，继而提高短柱的抗剪承载力和延性，以达到改善抗震性能的目地。通常会采用复合箍筋，包括井字形、菱形、八角形等形状。
2.2配置“X”筋
通过将部分纵筋沿短柱对角线方向成斜向交叉配置，使部分纵筋内移并使粘结应力分布到混凝土内部，形成“X”筋配置，这样既可以避免密排纵筋造成的排列困难，及可能引起的粘结破坏，又可使“X”形纵筋承担一部分剪力，从而避免柱发生剪切破坏。
2.3采用分体柱
由于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，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度，这样，在地震作用下，柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。
人为削弱抗弯强度的方法，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，分体柱的各柱肢分开配筋。在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接件，以增强它的初期刚度和后期耗能能力。采用分体柱的方法虽然使柱子的抗剪承载力基本不变，抗弯承载力稍有降低，但是使柱子的变形能力和延性均得到显著提高，其破坏形态由剪切型转化为弯曲型，从而实现了短柱变“长柱”的设想，有效地改善了短柱尤其是剪跨比λ≤1.5的超短柱的抗震性能。
2.4采用钢骨混凝土柱
所谓钢骨混凝土柱是指以钢骨为中心，在外层进行混凝土外包而成的柱体。一般在工程中，都是以钢板焊接拼制或着以钢筋直接扎制钢骨，其形状大多呈工字形、口字形或十字形。
相较于其他的钢结构，采用钢骨混凝土柱的结构中，外包的混凝土能够有效防止钢骨在荷载加大的情况下出现局部弯曲的现象，从而使整个钢骨混凝土柱的刚度得到了增强，这对于提高钢构件的利用效率和改善钢构件易弯曲有着重要的意义。因此，在采用钢骨混凝土柱的柱体结构中，可以极大的减少钢材的使用量，节约材料，降低成本。除了这一特性，钢骨的外包混凝土也能够增强柱体结构的耐腐蚀性，降低了钢骨锈蚀的发生率，提高了结构的耐久性。
与钢筋砼结构相比，由于配置了钢骨，使柱子的承载力大大提高，从而有效地减小柱截面尺寸；钢骨翼缘与箍筋对砼有很好的约束作用，砼的延性得到提高，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。由于钢骨砼柱充分发挥了钢与砼两种材料的特点，具有截面尺寸小，自重轻，延性好以及优越的技术经济指标等特点，可以显著改善短柱结构的抗震性能。
2.5采用钢管混凝土柱
钢管砼是由砼填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍砼的一种特殊形式。由于钢管内的砼受到钢管的侧向约束，使得砼处于三向受压状态，从而使砼的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，砼特别是高强砼的延性得到显著改善。同时，钢管既是纵筋，又是横向箍筋，其管径与管壁厚度的比值至少都在90以下，这相当于配筋率至少都在4.6%以上，这远远超过抗震规范对钢筋砼柱所要求的最小配筋率限值。由于钢管砼的抗压强度和变形能力特佳，即使在高轴压比条件下，仍可形成在受压区发展塑性变形的“压铰”，不存在受压区先破坏的问题，也不存在像钢柱那样的受压翼缘屈曲失稳的问题。因此，从保证控制截面的转动能力而言，无需限定轴压比限值。当选用了高强砼和合适的套箍指标后，短柱的承载力可大幅度提高，通常柱截面可比普通钢筋砼柱减小一半以上，具有良好的抗震性能。
3.結语
总之，在钢筋混凝土框架结构的施工中，要严格按照技术规范的方法和程序进行施工作业，最大可能的减少短柱或超短柱的形成。而对于无法避免的短柱，就需要及时确定短柱，并根据所形成短柱的实际情况采取有针对性的有效措施对其进行处理，以提高短柱的抗剪承载能力，增大短柱的延性，使其抗震性能得到良好的改善，降低地震中因短柱影响而造成的损失。
【参考文献】
[1]纪英波.建筑抗震设计中结构柱的探讨[J].山西建筑，2009（13）.
[2]刘志敏，闫小兵.短柱改进措施在高层建筑抗震设计中的应用[J].科技情报开发与经济，2010（07）.