剪跨比与框剪结构中的短柱设计研究

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【摘要】随着科技的大力发展与时代的进步，在各大建筑物的建造过程中，钢筋混凝土框架一剪刀墙结构以及框一筒结构在很多时候已经成为一种必然选择（尤其是在高层建筑中）。通过以往大量的实践结果表明，剪跨比与框剪结构中的短柱设计是否科学合理在很大程度上可以既直接决定高层建筑最终能够达到预期的要求。一般地说，如果在建筑过程中的层高一定的前提下柱子的截面过大，在结构底部就会自然而然的形成短柱。鉴于此，本文主要针对这一问题展开进行描述.希望能够在今后更好的防止超短柱由于抗剪切能力太弱而导致结构框架的脆裂破坏提供一些借鉴和参考。

【关键词】高层建筑;短柱设计;剪跨比;框一剪结构;脆裂破坏

众所周知，在建筑设计过程中在很多时候会由于柱体抗弯承载力量比柱体的抗剪力打出许多的这种现象。如果在这种情况下遭到地震的突然侵袭，很容易就发生破坏（或者断裂），这样一来就会大大缩短高层建筑的使用寿命，严重的话甚至会造成毁灭性的打击，造成大量的人力物力财力损失。从这一点上来看，设计单位作为建筑物的关键组成部分必须想方设法根据实际需要优化对短柱的设计方案。

一、正确判断短柱的方法一剪跨比

通过过去很长一段时间里的工作经验表明，在判断框架柱的短柱是否真正满足实际需求的主要依据是柱的剪跨比，剪跨比的力学公式为：λ=M/vh。下面分别作出解释其中，M为弯矩，v为剪力，h是与弯矩M保持平行柱截面的高度距离。在λ大于2的情况下为长柱;当λ大于1.5小于2的时候称为短柱;当λ小于1.5的时候为极短柱。前面已经讲到，短柱在大多数时候会产生剪切破坏现象，长柱如果出现不良现象的话也容易导致弯曲破坏。一般地说，如果抗震设计的框架结构柱柱端剪力较大的话（通常表现为较大），此时剪跨比λ会比较小，这样会造成短柱（或极短柱），从而产生斜裂缝进而破坏剪切。在设计中应当特别考虑到这一因素。除此之外，由于高层建筑中较容易受到柱子底部嵌固不同程度的影响，从而表现出柱子上下两端的约束相差大的情况，此时反弯点的高度肯定不会低于柱子的高度。事实证明，倘若框架柱的反弯点无法处于柱子中点位置的话柱子上下两端的弯矩必然会产生不同程度的差异（有时会比较大，有时会比较小一点），用公式可以表示为：Mt≠Mb≠。框架柱的上下剪跨比也会存在一定的差异，通过过去的工作经验表明，在这个时候设计单位最好的办法就是使用框架柱上下截面中弯矩相对而言较大的剪跨比，归纳的说，框架柱的受力情况其实就像是一个受有定值轴压力的连续梁，框架的剪切破坏绝大多时候都是发生于弯矩偏大一点的位置。我们从相关力学理论看的话，在条件相同的前提下，弯矩相对而言比较大的区域其抗剪承载力会比弯矩比较小的区域要小一些，因此剪切破坏多数时候发生在弯矩比较大的位置也就显得不足为奇了。还有一点值得注意的是，在高层建筑的底部位置，框架柱的反弯点往往是偏向于上部位置（这个同样需要结合实际情况而定），即Mb大于Mt.如果当时的情况需要框架柱是否属于短柱进行初步判定.设计师可先按D值法来计算出柱子的反弯点的相对高度比。但我们务必保证在施工图设计阶段按电算结果加以精准判断。

二、框架柱的具体选型及破坏

下面就主要从这两个方面进行分析。

1、框架柱的具体选型。

从上面的描述我们可以清楚的了解到，短柱现象在很多时候难以避免，它会直接导致脆性剪切破坏的情况发生，在高层建筑的设计过程中应该最大限度的避免。但是我们不得不承认的是，随着高层建筑层数与高度的增大，倘若我们在设计过程中依然还是采用那种传统的普通混凝土，柱截面尺寸在当前这种大形势下必定会很大而导致短柱。因此我们必须在设计过程中想方设法提高混凝土强度，想要做到这一点就必须采用高强混凝土柱来尽可能的减少柱截面尺寸，但是高强混凝土柱一般延性会比较差，在使用期间稍微不注意很容易导致柱子产生脆性破坏。

2、框架柱的破坏。

这主要表现为以下几个方面：（1）弯曲压溃破坏。如果构件的剪跨比非常小，当它的强度达到最大值必然会产生对角线状的斜裂缝，换言之，在短柱上下受压点的连接线上产生交叉剪切斜裂缝会导致弯曲压溃破坏。因为在这个时候强度就会陡降而遭到破坏，此时滞回曲线机与往常的运转会有一些不同而表现出脆性破坏特征;（2）剪切斜拉破坏。如果构件的剪跨比较为特殊的话，当它处于最大强度的时候会产生对角线状的斜裂缝而造成拉断。但是受拉主筋在此时不会屈服。

一旦达到最大荷载后强度同样会出现陡降而破坏;（3）粘结开裂破坏。一般地说我们在高层建筑中会以变形钢筋为主筋。如果承受多次循环荷载的话存在着很大的可能性由于粘结传力无法达到长度要求而产生微小斜的裂缝。而这种本来就十分微小的裂缝向柱高会由中部随着时间的推移遍及柱高全长。甚至造成保护层剥落、承载能力不断降低一直打到破坏的程度为止。根据过往的事实证明，一旦构件出现粘结开裂裂缝的情形，强度随着变形越来越大及循环次数的不断增加会逐渐降低，与此同时滞回环的发散程度也会随之越来越严重。

三、合理设计短柱的相关措施

根据自身多年的经验表明，为了做到这一点我们可以从以下几个方面进行努力：（1）认真细致的对比框架结构体系、框一筒结构体系以及框一剪力墙结构体系，从中我们会得出一个结论，短柱的脆性断裂会在很大程度上伤害到纯框架结

构体系，从这一点上来看，如果无法有效避免出现短柱的情况下，设计师在设计的过程中应该相应的设置抗压力比较强的剪力墙。另外，虽然说框一筒结构体系自身存在的空间刚变往往会比较大，但是框架结构的抗压力通常都不是很强，这一部分往往给你成为抗震的薄弱环节;（2）进一步想方设法增大剪跨比。在设计高层建筑中要最大限度的采用宽扁粱来增加框架柱净高来达到增加剪跨比的目的。事实证明，高层建筑的抗震能力随着剪跨比的不断增大会逐渐变强。除此之外，设计师还可以在条件允许的前提下增加适量的芯柱。即在柱界面中增加由附加垂直方向钢筋形成的芯柱。如果垂直方向钢筋的总面积不小于柱截面面积的百分之零点八时，这样就能够达到有效减少柱截面，从而加大剪跨比的目的;（3）尽可能的采用高强度的混凝土。相关文件已经明文规定，如果钢筋混凝土的等级不小于C65的话，那么，柱轴压比限值应该与之对应的减少零点零五，这样对于降低混凝土减小截面尺寸是大有裨益的。比方说型钢管混凝土柱，钢混凝土柱，钢筋混凝土分体柱等。

四、结束语

综上所述，随着科技的进步与人们生活水平的日益提高，对各大建筑物尤其是在高层建筑中往往会涉及到剪跨比与框剪结构的短柱问题，而且在很多时候这个问题是无法规避的，因此设计师在设计的过程中需要对此问题进行高度重视，在结合实际情况的前提下严格遵照相关规范来加以设计，从而最大限度的规避短柱现象的发生，从而打造出高质量的精品工程。

参考文献：

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