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摘要：在高层建筑结构设计中，为满足规程对轴压比限值的要求，柱子的截面往往比较大，在结构底部常常形成短柱甚至超短柱。本文讨论了建筑中短柱的判別方法，及改善短柱抗震性能的几种措施。
关键词：高层建筑；结构设计；短柱抗震性能；改善措施
Abstract: in designing high-rise, in order to meet the regulation of the requirements of the limit value of the axial compressive ratio, the section pillars is often, in the bottom structure usually form even super short column short column. This paper discusses the building of short column identification method, and improve the seismic behavior of short column several measures.
Keywords: high building; Structure design; Short columns, the seismic performance; Improvement measures
中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：
在高层建筑结构设计中，为满足规程对轴压比限值的要求，柱子的截面往往比较大，在结构底部常常形成短柱甚至超短柱。在层高一定的情况下，为提高延性而降低轴压比，则会导致柱截面增大，且轴压比越小，截面越大；而截面增大，导致剪跨比减小，又降低了构件的延性。另外，诸如图书馆的书库、层高较低的储藏室、高层建筑的地下车库等，由于使用荷载大，层高较低，在设计中也不可避免地会出现短柱。根据结构构件的试验结果及以往的震害调查表明，短柱的延性很差，尤其是超短柱几乎没有延性，在建筑遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震影响时，很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌，无法满足 “中震可修，大震不倒”的设计准则。为了避免短柱脆性破坏问题在高层建筑中发生，规范都有明确的措施。如何使用这些构造措施呢?首先，要正确判定是不是短柱；然后对短柱采取一些构造措施或处理，提高短柱的延性和抗震性能。
l如何判定短柱
规程和规范都规定，柱净高H与截面高度h之比H／h≤4为短柱，工程界许多工程技术人员一般都据此来判定短柱。这个判断式只和柱的截面和层高有关系，而和柱的内力没有联系。实际上根据结构力学、材料力学的理论，确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比，只有剪跨比=M／vh≤2的柱才是短柱，而柱净高与截面高度之比H／h≤4的柱其剪跨比不一定小于2，亦即不一定是短柱。设计人员按H／h≤4来判定的主要依据是：①=M／Vh≤2；②考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点，取M=0．5VH，则=M／Vh=0．5VH／Vh=0．5H／h≤2，由此即得H／h≤4。但是，对于高层建筑，梁、柱线刚度比较小，特别是底部几层，由于受柱底嵌固的影响，且粱对柱的约束弯矩较小，反弯点的高度会比柱高的一半高得多，甚至不出现反弯点，此时不宜按H／h≤4来判定短柱，而应按短柱的力学定义—剪跨比=M／Vh≤2来判定才是正确的。
框架柱的反弯点不在柱中点时，柱子上、下端截面的弯矩值大小就不一样，即Mt≠Mb。因此，框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一样的，即t=Mt/Vh≠b=Mb／Vh。此时，应采用哪一个截面的剪跨比来判断框架柱是不是属于短柱呢?可以简化为采用框架柱上、下端截面中剪跨比的较大值，即取= max（t, b）。其理由如下：框架柱的受力情况有如一根受有定值轴压力的连续梁，柱高Hn相当于连续梁的剪跨a，已有的试验研究结果表明：对于剪跨a不变的连续梁，当截面上、下配置的纵筋相同时，剪切破坏总是发生在弯矩较大的区段；对于框架柱，临界斜裂缝也总是发生在弯矩较大的区段。事实上，在柱高Hn或连续梁剪跨a的范围内，最大剪跨比是出现在弯矩较大区段上的。钢筋混凝土构件的抗剪承载力是随剪跨比增大而降低的。所以，同样条件下，弯矩较大区段的截面抗剪承载力，要比弯矩较小区段的小，在荷载作用下，如果发生剪切破坏，就只能是在弯矩较大区段上。因此，采用框架柱上、下端截面中剪跨比的较大值来判断框架柱是否属于短柱的剪跨比，应是可行的。一般情况下，在高层建筑的底部几层，框架柱的反弯点都偏上，即Mb>Mt。此时，可按式(1)或式(2)判定短柱：
=M/Vh≤2(1)
Hn／h≤2／y n(2)
式中：yn-n层柱的反弯点高度比，根据几何关系，可得yn=1／(1+ψ)，其中，ψ=Mt∕Mb，0≤ψ≤1；Hn- n层柱的净高。式(2)具有一般性。当反弯点在柱中点时，ψ=1，yn=0．5，式(2)即成为Hn／h≤4：当反弯点在柱上端截面时，ψ=0，yn=1，式(2)即成为Hn／h≤2；如果框架柱上不出现反弯点，就应采用最大弯矩作用截面的剪跨比=M／Vh≤2来判断短柱。当需要初步判断框架柱是否属于短柱时，可先按D值法确定柱子的反弯点高度比yn，然后按式(2)判断短柱。在施工图设计阶段，可根据电算结果作进一步判断。
2改善措施
2．1使用复合螺旋箍筋
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“强柱弱粱’，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。因此，使用复合螺旋箍筋来提高柱子的抗剪承载力，改善对混凝土的约束作用，能够达到改善短柱抗震性能的目的。
2．2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，可以设置一些连接键，以增强它的初期刚度和后期耗能能力。一般，连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素混凝土连接键等形式。对分体柱工作性态的理论分析和试验研究表明：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≤1．5的超短柱的抗震性能。分体柱方法已在实际工程中得到应用。
2．3采用钢骨混凝土柱
钢骨混凝土柱由钢骨和外包混凝土组成。钢骨通常采用由钢板焊接拼制或直接扎制而成的工字形、口字形、十字形截面。与钢结构相比，钢骨混凝土柱的外包混凝土，可以防止钢构件的局部屈曲，提高柱的整体刚度，显著改善钢构件出乎面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。采用钢骨混凝土结构，一般可比钢结构节约钢材达50％以上。此外，外包混凝土增加了结构的耐久性和耐火性。与钢筋混凝土结构相比，由于配置了钢骨，使柱子的承载力大大提高，从而有效地减少了柱截面尺寸；钢骨翼缘与箍筋对混凝土有很好的约束作用，混凝土的延性得到提高，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。由于钢骨混凝土柱充分发挥了钢与混凝土2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，如果在高层或超高层钢筋混凝土结构下部的若干层采用钢骨混凝土柱，可以大大减小柱的截面尺寸，显著改善结构的抗震性能。
2．4采用钢管混凝土柱
钢管混凝土是由混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍混凝土的一种特殊形式。由于钢管内的混凝土受到钢管的侧向约束，使得混凝土处于三向受压状态，从而使混凝土的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，混凝土特别是高强混凝土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钢筋混凝土柱所要求的最小配筋率限值。由于钢管混凝土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。
3结语
当按剪跨比判定柱子不是短柱时，按一般框架柱的抗震要求采取构造措施即可：确为短柱，就应当尽量提高短柱的承载力，减小短柱的截面尺寸，采取各种有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。使用复合螺旋箍筋、采用分体柱技术，均可有效地改善短柱的抗震性能；采用钢骨混凝土、钢管混凝土等新结构，可显著提高柱的承载力，减少柱截面尺寸，避免在结构下部出现短柱尤其是超短柱。因此，在高层建筑抗震设计中，应根据工程的具体情况，尽量采用上述新结构、新技术，以避免短柱脆性破坏问题的发生。
关键词：高层建筑；结构设计；短柱抗震性能；改善措施
Abstract: in designing high-rise, in order to meet the regulation of the requirements of the limit value of the axial compressive ratio, the section pillars is often, in the bottom structure usually form even super short column short column. This paper discusses the building of short column identification method, and improve the seismic behavior of short column several measures.
Keywords: high building; Structure design; Short columns, the seismic performance; Improvement measures
中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：
在高层建筑结构设计中，为满足规程对轴压比限值的要求，柱子的截面往往比较大，在结构底部常常形成短柱甚至超短柱。在层高一定的情况下，为提高延性而降低轴压比，则会导致柱截面增大，且轴压比越小，截面越大；而截面增大，导致剪跨比减小，又降低了构件的延性。另外，诸如图书馆的书库、层高较低的储藏室、高层建筑的地下车库等，由于使用荷载大，层高较低，在设计中也不可避免地会出现短柱。根据结构构件的试验结果及以往的震害调查表明，短柱的延性很差，尤其是超短柱几乎没有延性，在建筑遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震影响时，很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌，无法满足 “中震可修，大震不倒”的设计准则。为了避免短柱脆性破坏问题在高层建筑中发生，规范都有明确的措施。如何使用这些构造措施呢?首先，要正确判定是不是短柱；然后对短柱采取一些构造措施或处理，提高短柱的延性和抗震性能。
l如何判定短柱
规程和规范都规定，柱净高H与截面高度h之比H／h≤4为短柱，工程界许多工程技术人员一般都据此来判定短柱。这个判断式只和柱的截面和层高有关系，而和柱的内力没有联系。实际上根据结构力学、材料力学的理论，确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比，只有剪跨比=M／vh≤2的柱才是短柱，而柱净高与截面高度之比H／h≤4的柱其剪跨比不一定小于2，亦即不一定是短柱。设计人员按H／h≤4来判定的主要依据是：①=M／Vh≤2；②考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点，取M=0．5VH，则=M／Vh=0．5VH／Vh=0．5H／h≤2，由此即得H／h≤4。但是，对于高层建筑，梁、柱线刚度比较小，特别是底部几层，由于受柱底嵌固的影响，且粱对柱的约束弯矩较小，反弯点的高度会比柱高的一半高得多，甚至不出现反弯点，此时不宜按H／h≤4来判定短柱，而应按短柱的力学定义—剪跨比=M／Vh≤2来判定才是正确的。
框架柱的反弯点不在柱中点时，柱子上、下端截面的弯矩值大小就不一样，即Mt≠Mb。因此，框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一样的，即t=Mt/Vh≠b=Mb／Vh。此时，应采用哪一个截面的剪跨比来判断框架柱是不是属于短柱呢?可以简化为采用框架柱上、下端截面中剪跨比的较大值，即取= max（t, b）。其理由如下：框架柱的受力情况有如一根受有定值轴压力的连续梁，柱高Hn相当于连续梁的剪跨a，已有的试验研究结果表明：对于剪跨a不变的连续梁，当截面上、下配置的纵筋相同时，剪切破坏总是发生在弯矩较大的区段；对于框架柱，临界斜裂缝也总是发生在弯矩较大的区段。事实上，在柱高Hn或连续梁剪跨a的范围内，最大剪跨比是出现在弯矩较大区段上的。钢筋混凝土构件的抗剪承载力是随剪跨比增大而降低的。所以，同样条件下，弯矩较大区段的截面抗剪承载力，要比弯矩较小区段的小，在荷载作用下，如果发生剪切破坏，就只能是在弯矩较大区段上。因此，采用框架柱上、下端截面中剪跨比的较大值来判断框架柱是否属于短柱的剪跨比，应是可行的。一般情况下，在高层建筑的底部几层，框架柱的反弯点都偏上，即Mb>Mt。此时，可按式(1)或式(2)判定短柱：
=M/Vh≤2(1)
Hn／h≤2／y n(2)
式中：yn-n层柱的反弯点高度比，根据几何关系，可得yn=1／(1+ψ)，其中，ψ=Mt∕Mb，0≤ψ≤1；Hn- n层柱的净高。式(2)具有一般性。当反弯点在柱中点时，ψ=1，yn=0．5，式(2)即成为Hn／h≤4：当反弯点在柱上端截面时，ψ=0，yn=1，式(2)即成为Hn／h≤2；如果框架柱上不出现反弯点，就应采用最大弯矩作用截面的剪跨比=M／Vh≤2来判断短柱。当需要初步判断框架柱是否属于短柱时，可先按D值法确定柱子的反弯点高度比yn，然后按式(2)判断短柱。在施工图设计阶段，可根据电算结果作进一步判断。
2改善措施
2．1使用复合螺旋箍筋
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“强柱弱粱’，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。因此，使用复合螺旋箍筋来提高柱子的抗剪承载力，改善对混凝土的约束作用，能够达到改善短柱抗震性能的目的。
2．2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，可以设置一些连接键，以增强它的初期刚度和后期耗能能力。一般，连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素混凝土连接键等形式。对分体柱工作性态的理论分析和试验研究表明：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≤1．5的超短柱的抗震性能。分体柱方法已在实际工程中得到应用。
2．3采用钢骨混凝土柱
钢骨混凝土柱由钢骨和外包混凝土组成。钢骨通常采用由钢板焊接拼制或直接扎制而成的工字形、口字形、十字形截面。与钢结构相比，钢骨混凝土柱的外包混凝土，可以防止钢构件的局部屈曲，提高柱的整体刚度，显著改善钢构件出乎面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。采用钢骨混凝土结构，一般可比钢结构节约钢材达50％以上。此外，外包混凝土增加了结构的耐久性和耐火性。与钢筋混凝土结构相比，由于配置了钢骨，使柱子的承载力大大提高，从而有效地减少了柱截面尺寸；钢骨翼缘与箍筋对混凝土有很好的约束作用，混凝土的延性得到提高，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。由于钢骨混凝土柱充分发挥了钢与混凝土2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，如果在高层或超高层钢筋混凝土结构下部的若干层采用钢骨混凝土柱，可以大大减小柱的截面尺寸，显著改善结构的抗震性能。
2．4采用钢管混凝土柱
钢管混凝土是由混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍混凝土的一种特殊形式。由于钢管内的混凝土受到钢管的侧向约束，使得混凝土处于三向受压状态，从而使混凝土的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，混凝土特别是高强混凝土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钢筋混凝土柱所要求的最小配筋率限值。由于钢管混凝土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。
3结语
当按剪跨比判定柱子不是短柱时，按一般框架柱的抗震要求采取构造措施即可：确为短柱，就应当尽量提高短柱的承载力，减小短柱的截面尺寸，采取各种有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。使用复合螺旋箍筋、采用分体柱技术，均可有效地改善短柱的抗震性能；采用钢骨混凝土、钢管混凝土等新结构，可显著提高柱的承载力，减少柱截面尺寸，避免在结构下部出现短柱尤其是超短柱。因此，在高层建筑抗震设计中，应根据工程的具体情况，尽量采用上述新结构、新技术，以避免短柱脆性破坏问题的发生。