分析建筑结构设计中短柱延性
在高层建筑建设中，短柱的应用已经比较普遍，而在层高设计一定的情况下，为了使建筑延性提高，需要增加柱截面积，降低轴压比，轴压比越小，柱截面积越大。
摘要:
随着社会经济的发展，高层建筑在诸多城市建设中不断涌现出来。在对高层建筑进行设计的时候，多数设计都可以采用计算软件进行设计，降低了设计人员的工作量，但还有一部分工作需要设计人员进行操作，即按照软件计算结果计算建筑的受力状态，对建筑结构构造措施进行设计。本文主要针对高程建筑中短柱延性设计的提升进行分析和研究。
关键词:
高层建筑;结构设计;短柱延性;分析
在高层建筑建设中，短柱的应用已经比较普遍，而在层高设计一定的情况下，为了使建筑延性提高，需要增加柱截面积，降低轴压比，轴压比越小，柱截面积越大。所以，在高层建筑结构设计中，为了对轴压比限值进行满足，往往需要将柱的截面积提高，出现短柱构造，甚至是超短柱构造。而在抗震性能的要求下，短柱要求具有足够的抗震性能，需要将短柱延性进行提高，本文也针对建筑结构设计中延性提高的方法进行分析。
1确定短柱的方法
根据相关要求，短柱的定义为柱子净高(H)比截面高度(h)，即H/h≤4时，将该柱称为短柱，在建筑施工中，施工技术人员对短柱进行判定的时候多数都按照该判定方法来确定。该判定方法用到的参数只是层高与柱截面的关系，而对柱本身的内力关系没有应用。
而按照材料力学、结构力学理论，根据剪跨比(λ)也可作为短柱的衡量依据，即λ=M/Vh≤2时，该柱也为短柱，但是与层高与柱截面的关系下的H/h≤4的短柱判定方法相比，在这一条件下，λ的取值未必小于2，即不一定是短柱。在多数设计中，设计人员都采用H/h≤4来判断短柱，主要依据的原理包含以下几个方面:首先，λ=M/Vh≤2;其次，因为框架柱反弯点多数都已交接近柱中点，因此M取值为0.5VH，则此时λ≤2，即H/h≤4。
但是在高层建筑中，由于柱、梁线刚度比较小，特别是建筑底部基层，柱体嵌固的影响比较大，并且柱受梁的约束弯矩较小，反弯点高度大于柱高的一半，甚至反弯点不存在，此时如果仍采用H/h≤4来判断短柱是不合理的，应该采用λ=M/Vh≤2进行判定。如果反弯点没有在柱中点，那么柱上部与下部截面弯矩值是不同的，即Mh≠Mt。所以，上部与下部的剪跨比也不同，即λh=Mh/Vh≠λt=Mt/Vt。这个时候，对短柱进行判断时，采用哪一个截面剪跨比判断，是一个重点考虑的问题。
经过分析研究，认为取二者中的较大值作为判定短柱的依据，即λ=max(λh，λt)，其原因包含以下方面:第一，框架柱可看做一个连续梁，受定值轴压力，柱高(Hn)类似于连续梁的剪跨，相关试验研究显示，连续梁剪跨一定时，在截面下部、上部配置同样的纵筋，在弯矩较大的区段会出现剪切破坏;第二，在框架柱中，弯矩较大的区段也会发生临界斜裂缝。
实际上，在连续梁剪跨或柱高范围内，在弯矩较大的区段上会出现最大剪跨比。随着剪跨比的增大，钢筋混凝土构件的抗剪力会降低。因此，在相同条件下，弯矩较小区段的抗剪承载力要比弯矩较大区段的抗剪承载力要大。在荷载作用下，弯矩较大区段上发生剪切破坏的可能性大于弯矩较小区段。所以，将上端和下端截面中剪跨比较大的值作为判断短柱的剪跨比值，是符合要求的。通常而言，位于高层建筑底部基层中框架柱的反弯点都是位于柱上部的，即Mb>Mt。
这个时候，对短柱进行判定的时候，可按照以下公式进行，式(1):Hn/h≤2/yn，式中，Hn表示n层柱的净高。yn表示n层柱的反弯点高度比，按照几何关系，可知:yn=1/(1+ψ)，其中，ψ=Mt/Mb，0≤ψ≤Hn。如果反弯点出现在柱的中点，则有ψ=1，yn=0.5，则式(1):Hn/h≤4;如果反弯点在柱上端，则ψ=0，yn=1，则式(1):Hn/h≤2;如果不存在反弯点，则可直接按照最大弯矩作用截面的剪跨比λ=M/Vh≤2进行判断。通常而言，计算过程中，可对反弯点高度比yn按照D值法进行确定，然后根据式(1)计算对是否属于短柱进行初步判断。
2提高短柱延性的措施
2.1使用钢管混凝土柱
在薄壁圆形钢管内填入混凝土构成的结构即为钢管混凝土。钢管对混凝土产生侧向约束力，混凝土处于受压状态，混凝土的抗压强度及极限压应变能力都得到提升，特别是对高强度混凝土延性的改善效果非常明显。除此以外，结构中钢管不但发挥了横向箍筋的作用，也发挥了纵筋的作用，管径与管壁厚度比值小于90，类似于混凝土配筋率超过4.6%，明显超出抗震要求中混凝土配筋率要求。由于此类结构的抗压强度与抗变形能力非常好，即便是在高轴压比下，受压区都不会出现先破坏的现象，与钢柱相比，也不会出现屈曲失稳情况。所以，为了对截面转动能力进行控制，对轴压比限值不需要限定。钢管混凝土单支柱承载力计算可用公式(2)计算，式(2):承载力≤Φ1ΦeNθ，式中，θ表示套箍指标，值域[0.3，3]。根据式(2)，在套箍指标选择合适的情况下，使用高强度混凝土可使柱子的承载力大大提高，且柱截面可大大降低，比普通钢筋混凝土柱至少降低一半，消除了短柱，抗震性能能够大大提高。
2.2使用钢骨混凝土柱
将混凝土外包于钢骨即可构成钢骨混凝土柱。一半情况下钢骨的类型包含十字形截面、口字形截面和工字形截面集中，和钢结构对比，钢结构构件局部可能出现屈曲，而钢护混凝土柱由于钢构件外部包裹有混凝土，不会发生屈曲现象，柱子的整体强度得到了加强，钢材的强度可以有效的发挥出来。而且与一般钢结构柱相比，采用钢骨混凝土结构可降低一半以上的钢材用量。而与混凝土结构相比，由于钢骨的存在，使柱子的承载力大大提高，柱的截面积也有效的降低，由于混凝土在钢骨翼缘及箍筋作用下受到约束，提高了混凝土的延性，柱的延性与耗能能力都得到加强。该结构类型中，对混凝土与钢材的优势都得到了最大限度的发挥，具有延性好、截面小、自重轻等优势，在高层建筑中的应用对抗震性能可有效的改善。
2.3使用分体柱
对于短柱而言，其抗弯承载力与抗剪承载力要大很多，所以在地震作用下，抗剪承载力如果受到破坏后，抗弯强度再大也都无法发挥出来。所以，可将短柱的抗弯强度人为性的降低，使其略低于抗剪强度即可，在地震条件下，柱子抗弯强度受到发挥出现，呈现延性破坏作用。为了使抗弯强度降低，在柱中可沿竖向设置缝隙，将短柱一分为二或四部分，构成分体柱，各分体柱均单独配筋，在分体柱之间设置连接缝，使各分体柱的初期刚度增加。相关研究显示，分体柱与整体柱相比，抗剪能力基本一致，抗弯承载力降低，这就使柱子的变形能力与延性都得到了提升，由原来的抗剪型破坏形态转变为弯曲型破坏形态，也将短柱消除，变为分体长柱，对剪跨比λ≤2时的抗震性能有效的进行了改善。
3结语
对短柱进行判断时，采用剪跨比λ≤2作为判断依据，要将短柱的截面尺寸尽可能的减小，使短柱的承载能力尽可能的提高，对短柱的延性采用各种方法进行提升，有效的提高短柱的抗震性能。在实践中，钢管混凝土、钢骨混凝土等结构类型，对短柱的承载能力提升效果非常显著，而分体柱在改善短柱抗震性能方面效果非常好。在高层建筑中的应用，也有效的减少了建筑底部几层结构中短柱及超短柱的出现，避免了因短柱脆性破坏造成的建筑抗震性能下降的问题出现。
参考文献：
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