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分析建筑結構設計中短柱延性
在高層建筑建設中，短柱的應用已經比較普遍，而在層高設計一定的情況下，為了使建筑延性提高，需要增加柱截面積，降低軸壓比，軸壓比越小，柱截面積越大。
摘要:
隨著社會經濟的發展，高層建筑在諸多城市建設中不斷涌現出來。在對高層建筑進行設計的時候，多數設計都可以采用計算軟件進行設計，降低了設計人員的工作量，但還有一部分工作需要設計人員進行操作，即按照軟件計算結果計算建筑的受力狀態，對建筑結構構造措施進行設計。本文主要針對高程建筑中短柱延性設計的提升進行分析和研究。
關鍵詞:
高層建筑;結構設計;短柱延性;分析
在高層建筑建設中，短柱的應用已經比較普遍，而在層高設計一定的情況下，為了使建筑延性提高，需要增加柱截面積，降低軸壓比，軸壓比越小，柱截面積越大。所以，在高層建筑結構設計中，為了對軸壓比限值進行滿足，往往需要將柱的截面積提高，出現短柱構造，甚至是超短柱構造。而在抗震性能的要求下，短柱要求具有足夠的抗震性能，需要將短柱延性進行提高，本文也針對建筑結構設計中延性提高的方法進行分析。
1確定短柱的方法
根據相關要求，短柱的定義為柱子凈高(H)比截面高度(h)，即H/h≤4時，將該柱稱為短柱，在建筑施工中，施工技術人員對短柱進行判定的時候多數都按照該判定方法來確定。該判定方法用到的參數只是層高與柱截面的關系，而對柱本身的內力關系沒有應用。
而按照材料力學、結構力學理論，根據剪跨比(λ)也可作為短柱的衡量依據，即λ=M/Vh≤2時，該柱也為短柱，但是與層高與柱截面的關系下的H/h≤4的短柱判定方法相比，在這一條件下，λ的取值未必小于2，即不一定是短柱。在多數設計中，設計人員都采用H/h≤4來判斷短柱，主要依據的原理包含以下幾個方面:首先，λ=M/Vh≤2;其次，因為框架柱反彎點多數都已交接近柱中點，因此M取值為0.5VH，則此時λ≤2，即H/h≤4。
但是在高層建筑中，由于柱、梁線剛度比較小，特別是建筑底部基層，柱體嵌固的影響比較大，并且柱受梁的約束彎矩較小，反彎點高度大于柱高的一半，甚至反彎點不存在，此時如果仍采用H/h≤4來判斷短柱是不合理的，應該采用λ=M/Vh≤2進行判定。如果反彎點沒有在柱中點，那么柱上部與下部截面彎矩值是不同的，即Mh≠Mt。所以，上部與下部的剪跨比也不同，即λh=Mh/Vh≠λt=Mt/Vt。這個時候，對短柱進行判斷時，采用哪一個截面剪跨比判斷，是一個重點考慮的問題。
經過分析研究，認為取二者中的較大值作為判定短柱的依據，即λ=max(λh，λt)，其原因包含以下方面:第一，框架柱可看做一個連續梁，受定值軸壓力，柱高(Hn)類似于連續梁的剪跨，相關試驗研究顯示，連續梁剪跨一定時，在截面下部、上部配置同樣的縱筋，在彎矩較大的區段會出現剪切破壞;第二，在框架柱中，彎矩較大的區段也會發生臨界斜裂縫。
實際上，在連續梁剪跨或柱高范圍內，在彎矩較大的區段上會出現最大剪跨比。隨著剪跨比的增大，鋼筋混凝土構件的抗剪力會降低。因此，在相同條件下，彎矩較小區段的抗剪承載力要比彎矩較大區段的抗剪承載力要大。在荷載作用下，彎矩較大區段上發生剪切破壞的可能性大于彎矩較小區段。所以，將上端和下端截面中剪跨比較大的值作為判斷短柱的剪跨比值，是符合要求的。通常而言，位于高層建筑底部基層中框架柱的反彎點都是位于柱上部的，即Mb>Mt。
這個時候，對短柱進行判定的時候，可按照以下公式進行，式(1):Hn/h≤2/yn，式中，Hn表示n層柱的凈高。yn表示n層柱的反彎點高度比，按照幾何關系，可知:yn=1/(1+ψ)，其中，ψ=Mt/Mb，0≤ψ≤Hn。如果反彎點出現在柱的中點，則有ψ=1，yn=0.5，則式(1):Hn/h≤4;如果反彎點在柱上端，則ψ=0，yn=1，則式(1):Hn/h≤2;如果不存在反彎點，則可直接按照最大彎矩作用截面的剪跨比λ=M/Vh≤2進行判斷。通常而言，計算過程中，可對反彎點高度比yn按照D值法進行確定，然后根據式(1)計算對是否屬于短柱進行初步判斷。
2提高短柱延性的措施
2.1使用鋼管混凝土柱
在薄壁圓形鋼管內填入混凝土構成的結構即為鋼管混凝土。鋼管對混凝土產生側向約束力，混凝土處于受壓狀態，混凝土的抗壓強度及極限壓應變能力都得到提升，特別是對高強度混凝土延性的改善效果非常明顯。除此以外，結構中鋼管不但發揮了橫向箍筋的作用，也發揮了縱筋的作用，管徑與管壁厚度比值小于90，類似于混凝土配筋率超過4.6%，明顯超出抗震要求中混凝土配筋率要求。由于此類結構的抗壓強度與抗變形能力非常好，即便是在高軸壓比下，受壓區都不會出現先破壞的現象，與鋼柱相比，也不會出現屈曲失穩情況。所以，為了對截面轉動能力進行控制，對軸壓比限值不需要限定。鋼管混凝土單支柱承載力計算可用公式(2)計算，式(2):承載力≤Φ1ΦeNθ，式中，θ表示套箍指標，值域[0.3，3]。根據式(2)，在套箍指標選擇合適的情況下，使用高強度混凝土可使柱子的承載力大大提高，且柱截面可大大降低，比普通鋼筋混凝土柱至少降低一半，消除了短柱，抗震性能能夠大大提高。
2.2使用鋼骨混凝土柱
將混凝土外包于鋼骨即可構成鋼骨混凝土柱。一半情況下鋼骨的類型包含十字形截面、口字形截面和工字形截面集中，和鋼結構對比，鋼結構構件局部可能出現屈曲，而鋼護混凝土柱由于鋼構件外部包裹有混凝土，不會發生屈曲現象，柱子的整體強度得到了加強，鋼材的強度可以有效的發揮出來。而且與一般鋼結構柱相比，采用鋼骨混凝土結構可降低一半以上的鋼材用量。而與混凝土結構相比，由于鋼骨的存在，使柱子的承載力大大提高，柱的截面積也有效的降低，由于混凝土在鋼骨翼緣及箍筋作用下受到約束，提高了混凝土的延性，柱的延性與耗能能力都得到加強。該結構類型中，對混凝土與鋼材的優勢都得到了最大限度的發揮，具有延性好、截面小、自重輕等優勢，在高層建筑中的應用對抗震性能可有效的改善。
2.3使用分體柱
對于短柱而言，其抗彎承載力與抗剪承載力要大很多，所以在地震作用下，抗剪承載力如果受到破壞后，抗彎強度再大也都無法發揮出來。所以，可將短柱的抗彎強度人為性的降低，使其略低于抗剪強度即可，在地震條件下，柱子抗彎強度受到發揮出現，呈現延性破壞作用。為了使抗彎強度降低，在柱中可沿豎向設置縫隙，將短柱一分為二或四部分，構成分體柱，各分體柱均單獨配筋，在分體柱之間設置連接縫，使各分體柱的初期剛度增加。相關研究顯示，分體柱與整體柱相比，抗剪能力基本一致，抗彎承載力降低，這就使柱子的變形能力與延性都得到了提升，由原來的抗剪型破壞形態轉變為彎曲型破壞形態，也將短柱消除，變為分體長柱，對剪跨比λ≤2時的抗震性能有效的進行了改善。
3結語
對短柱進行判斷時，采用剪跨比λ≤2作為判斷依據，要將短柱的截面尺寸盡可能的減小，使短柱的承載能力盡可能的提高，對短柱的延性采用各種方法進行提升，有效的提高短柱的抗震性能。在實踐中，鋼管混凝土、鋼骨混凝土等結構類型，對短柱的承載能力提升效果非常顯著，而分體柱在改善短柱抗震性能方面效果非常好。在高層建筑中的應用，也有效的減少了建筑底部幾層結構中短柱及超短柱的出現，避免了因短柱脆性破壞造成的建筑抗震性能下降的問題出現。
參考文獻：
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