1 高層建筑抗震設計常見的問題

在高層建筑的建設中，其中最主要的問題是對它的抗震問題的研究，其中又以中短柱問題為最主要的問題。現在首先介紹一下抗震設計中常見的一些問題。

1.1 缺乏巖土工程勘察資料或資料不全。有的在擴初設計階段還缺建筑場地巖土工程的勘察資料，有的在擴初設計會審之后就直接進入了施工圖設計，有的在規劃設計或方案設計會審后就直接進入了施工圖設計。無巖土工程勘察資料，設計缺少了必要的依據。

1.2 結構的平面布置。外形不規則、不對稱、凹凸變化尺度大、形心質心偏心大，同一結構單元內，結構平面形狀和剛度不均勻不對稱，平面長度過長等。

1.3 一個結構單元內采用兩種不同的結構受力體系。如一半采用砌體承重，而另一半或局部采用全框架承重或排架承重;底框磚房中一半為底框，而另一半為磚墻落地承重[這種情況常發現在平面縱軸與街道軸線相交的住宅，其底層為商店，設計成一半為底框磚房(有的為二層底框)，而另一半為磚墻落地自承，造成平面剛度和豎向剛度二者都產生突變，對抗震十分不利]。

1.4 底框磚房超高超層。如1996年，對在杭設計單位作的一次專題普查，發現有69幢底框磚房超高超層。新項目亦普遍存在此現象，1999年某地塊住宅竣工交付使用驗收中發現有三幢底框磚房超高超層，甚至有超三層的。

1.5 抗震設防標準掌握不當。有一些項目擅自提高了設防標準，按照《建筑抗震設防分類標準(GB 50223-95)》劃分應屬六度設防的，但設計中提高了一度按七度設防，提高了建筑抗震設防標準，將會增加工程投資;有的項目嚴格應按七度采取抗震措施的，但設計中又按六度設防，減低了抗震設防標準，不利抗震。

1.6 結構的豎向布置。在高層建筑中，豎向體型有過大的外挑和內收，立面收進部分的尺寸比值B1/B不滿足≥0.75的要求。

1.7 抗震構造柱布置不當。如外墻轉角處，大廳四角未設構造柱或構造柱不成對設置;以構造柱代替磚墻承重;山墻與縱墻交接處不設抗震構造柱;過多設置抗震構造柱等。

1.8 框架結構砌體填充墻抗震構造措施不到位。砌體外圍護墻砌筑在框架柱外又沒有設置抗震構造柱，框架間砌體填充墻高度長度超過規范規定要求又沒有采取相應構造措施。

1.9 結構其他問題。有的底層無橫向落地抗震墻，全部為框支或落地墻間距超長;有的僅北側縱墻落地，南側全為柱子，造成南北剛度不均;有的底層作汽車庫，設計時橫墻都落地，但縱墻不落地，變成了縱向框支;還有的底框和內框砌體住宅采用大空間靈活隔斷設計，其中幾乎很少有縱墻。不少地方都采用鋼筋混凝土內柱來承重以代替磚墻承重，實際上將磚混結構演變為內框架結構，這比底框磚房還不利，因內框磚房的層數、總高度控制比底框磚房更嚴，因此存在著嚴重抗震隱患。更為嚴重的是這種情況并未引起目前大多數結構工程師的重視。

1.10 平面布局的剛度不均。抗震設計要求建筑的平、立面布置宜規正、對稱，建筑的質量分布和剛度變化宜均勻，否則應考慮其不利影響。但有的平面設計存在嚴重的不對稱：一邊進深大，一邊進深小;一邊設計大開間，一邊為小房間;一邊墻落地承重，一邊又為柱承重。平面形狀采用L、π形不規則平面等，造成了縱向剛度不均，而底層作為汽車庫的住宅，一側為進出車需要，取消全部外縱墻，另一側不需進出車輛，因而墻直接落地，造成橫向剛度不均。這些都對抗震極為不利。

1.11 防震縫設置。對于高層建筑存在下列三種情況時，宜設防震縫：①平面各項尺寸超過《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程(JGJ 3-91)》中表2.2.3的限值而無加強措施;②房屋有較大錯層;③各部分結構的剛度或荷載相差懸殊而又未采取有效措施;但有的竟未采取任何抗震措施又未設防震縫。

1.12 結構抗震等級掌握不準。有的提高了，而有的又降低了，主要是對場地土類型、結構類型、建筑高度、設防烈度等因素綜合評定不準造成。

上述這些問題的存在，倘若不能得到改正，勢必對建筑物的安全帶來隱患。上述這些問題的存在，倘若不能得到改正，勢必對建筑物的安全帶來隱患。上述這些問題的原因是多方面的，有認識方面的原因有計劃經濟向市場經濟轉化過程中出現的原因，有設計人員忽視了抗震概念設計方面的原因(未能從整體、全局上把握好)，有法律建設方面的原因(在工程抗震設防管理方面缺乏國家政府法律依據，特別是處罰方面)，通過這些問題來研究中短柱的問題：

2 短柱的正確判定

柱凈高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。因為確定是不是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，而柱凈高與截面高度之比H/h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于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，對于高層建筑，梁、柱線剛度比較小，特別是底部幾層，由于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。

框架柱的反彎點不在柱中點時，柱子上、下端截面的彎矩值大小就不一樣，即Mt≠Mb。因此，框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一樣的，即λt=Mt/Vh≠λb=Mb/Vh。此時，應采用哪一個截面的剪跨比來判斷框架柱是不是屬于短柱呢?筆者認為，應該采用框架柱上、下端截面中剪跨比的較大值，即取λ=max(λt，λb)。一般情況下，在高層建筑的底部幾層，框架柱的反彎點都偏上，即Mb>Mt。

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筑結構設計中，為滿足規程對軸壓比限值的要求，柱子的截面往往比較大，在結構底部常常形成短柱甚至超短柱。

3 改善短柱抗震性能的措施

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采取構造措施即可;確定為短柱后，就應當盡量提高短柱的承載力，減小短柱的截面尺寸，采取各種有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。

3.1 使用復合螺旋箍筋 高層建筑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。對于短柱，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切型破壞的。因此，使用復合螺旋箍筋來提高柱子的抗剪承載力，改善對砼的約束作用，能夠達到改善短柱抗震性能的目的。

3.2 采用分體柱 由于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壞而失效，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，使抗彎強度相應于或略低于抗剪強度，這樣，在地震作用柱子將首先達到抗彎強度，從而呈現出延性的破壞狀態。

3.3 采用鋼管砼柱 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。由于鋼管內的砼受到鋼管的側向約束，使得砼處于三向受壓狀態，從而使砼的抗壓強度和極限壓應變得到很大的提高，砼特別是高強砼的延性得到顯著改善。同時，鋼管既是縱筋，又是橫向箍筋，其管徑與管壁厚度的比值至少都在90以下，這相當于配筋率至少都在4.6%以上，這遠遠超過抗震規范對鋼筋砼柱所要求的最小配筋率限值。

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