论高层建筑抗震设计及加固措施

根据规程规定, 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也都据此来判定短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比λ, 只有剪跨比λ=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λ不一定小于2 , 亦即不一定是短柱。按H/ h ≤4 来判定的主要依据是: ①λ= M/ Vh ≤2 ; ②考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点, 取M = 0.15VH , 则λ=M/ Vh = 0.15VH/ Vh = 0.15H/ 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梁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λ=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λt =Mt/ Vh ≠λb =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? 笔者认为, 应该采用框架柱上、下端截面中剪跨比的较大值, 即取λ= max (λt , λb) 。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λ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。用来判断框架柱是否属于短柱的剪跨比λ当然应是可能发生剪切破坏截面的剪跨比λ。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)判定短柱:Hn/ h ≤2/ yn (1)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(1) 具有一般性。当反弯点在柱中点时,Ψ = 1 , yn = 015 , 式(1) 即成为Hn/ h ≤4 ; 当反弯点在柱上端截面时, Ψ = 0 , yn = 1 , 式(1) 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λ=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(1) 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 　改善短柱抗震性能的措施

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”强柱弱梁”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。

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, 显著改善钢构件出平面扭转屈曲性能, 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。

3 常用的加固设计思路及具体加固措施

(1)针对抗震鉴定结论,根据建筑结构不同体系及不同特点,在抗震加固时宜从以下几个方面来考虑具体的加固方法: 对于原有结构体系存在明显不合理的情况,条件许可时可采用增设构件的方法予以改善,否则采取能同时提高承载力和变形能力的方法,使整体抗震能力满足要求; 对于需要提高承载力或结构整体刚度的情况,可以增设构件,扩大原截面,设置套箍等方法;对于结构的整体性连接不符合抗震要求的情况,可以以提高变形能力为思路;对于局部构造不符合要求时, 可进行局部处理或改变传力途径,使地震作用由增设的构件承担,从而保护局部薄弱构件;对于次要的非结构构件不符合抗震要求的情况,可仅对可能倒塌伤人的部位加以处理。(2)多层砖混结构,在鉴定时容易出现很多明显或不太明显的不满足要求的现象,如结构体系不是很明确,传力路线不清晰; 结构整体性差, 连接薄弱; 横墙间距过大, 不满足规范要求,承载力不足;房屋宽度不满足要求;窗间墙长度不够等。

根据以上思路, 对于多层砖混结构, 常用的加固措施可采用以下几种:①减层降高(砖混结构抗震的主要构件就是砖墙,而砖墙本身存在抗剪差、变形小、延性差的缺点,地震中易于破坏。随房屋层数增加及高度增大,地震反应也随之加剧);②设置夹板墙(夹板墙可采取单面或双面加固,有钢筋网水泥砂浆夹板墙与钢筋混凝土夹板墙之分。夹板墙与顶棚或楼板要连接, 楼层上、下钢筋应尽量拉通,两侧与原墙和被加固墙体均要有可靠连接);③砖砌门窗洞口(当门窗洞口较多、较大时对建筑结构的抗震性能削弱过大,封堵原有洞口可以提高其抗震能力);④压力灌浆(主要是针对砖墙已产生裂缝影响美观且影响到强度时,可采用水玻璃砂浆等材料进行灌缝修补);⑤壁柱及圈梁(观浇混凝土附壁柱、圈梁以及内墙拉杆形成整体,成为外包框架,即使不设柱仅设圈梁,也可大大提高其整体抗震性能);⑥钢拉杆(主要是对内墙需增设圈梁而无法设置时,可用钢拉杆代替圈梁)。

(3)虽然在砖混结构加固设计及具体施工中有很多可操作的措施, 但是在实际过程中有很多问题需要妥善处理,而这些问题往往在实际设计与施工过程中被人忽视,如果不加以重视,抗震加固的作用就会被削弱,甚至可能出现更加不利于结构抗震的情况。如:① 圈梁与伸缩缝的处理( 后加圈梁在伸缩缝处应断开, 保证伸缩缝的作用,同时在缝两侧分别闭合,方能达到抗震目的) ;②后加壁柱的钢筋搭接(后加壁柱必须设基础, 伸出的主筋不应断在同一截面上,搭接长度也应满足规范要求);③避免破坏或损坏原有结构(在加固施工中对原有墙体及各部分结构应避免或减少损伤,特别穿楼板或砌体开孔,应凿洞或打眼,不得破坏原有钢筋,且砌体开孔应尽量减少震动) ;④新旧墙体接槎处理(新旧墙体、混凝土接槎部位,应先用清水清洗干净, 施工后加强养护,以保证新老结构形成整体) 。

4　结束语

我国是世界上地震灾害最严重的国家之一;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, 来避免短柱脆性破坏问题的发生。