斜柱結(jié)構(gòu)研究綜述

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，四川都江堰 611830)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代建筑造型多樣化、異型化，建筑結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，許多建筑沿立面傾斜，自2005年起大量斜柱涌現(xiàn)。它的出現(xiàn)一定程度上滿足了設(shè)計師對造型新穎和功能多樣的要求。

斜柱結(jié)構(gòu)可在柱間直接完成轉(zhuǎn)換，傳力途徑直接，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好;可完成高位轉(zhuǎn)換，以節(jié)約空間，增大了使用面積，美化了立面效果;能有效地提高設(shè)計效率，加快工程施工進(jìn)度，從而降低工程造價，具有廣闊的發(fā)展前景。因此，斜柱具有極高的實際應(yīng)用價值。

在斜柱研究方面，主要運用以下方法:利用AutoCAD軟件對梁柱節(jié)點進(jìn)行深化設(shè)計;用“力法變形法”“附加鏈桿法”或“帶斜柱兩跨多層簡式框架的形變迭代解法”進(jìn)行內(nèi)力計算;采用PKPM及其程序SATWE、大型通用有限元分析軟件ANSYS和SAP、三維有限元分析軟件ETABS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析;大震變形運用中國建筑研究院的PUSH＆EPDA軟件中的靜力推覆分析(Pushover)方法。

目前，針對斜柱結(jié)構(gòu)抗震研究工作較少，現(xiàn)行規(guī)范中尚無斜柱斜框架結(jié)構(gòu)的配套規(guī)定，然而已經(jīng)有了一些工程實例可供參考，如加蓬共和國參議院大廈、深圳2000大廈、蘇州凱悅酒店等。

在歷次發(fā)生的大地震中，框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點是結(jié)構(gòu)抗震的一個薄弱環(huán)節(jié)，它的破壞是引起建筑物破壞的主要原因之一。在早期的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，框架節(jié)點的地震破壞記錄及研究較少，設(shè)計上也沒有詳細(xì)規(guī)定。

綜上所述，簡要介紹斜柱、斜柱節(jié)點及抗震性能，概述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可為廣大高層建筑斜柱結(jié)構(gòu)設(shè)計人員和國家相關(guān)規(guī)范的制定提供參考。

1 國內(nèi)外研究概況

斜柱結(jié)構(gòu)分析研究是高層復(fù)雜建筑抗震的重要環(huán)節(jié)，無數(shù)學(xué)者在理論研究、數(shù)值模擬研究、實體模型研究等方面進(jìn)行了大量的研究工作，也取得了較多成果。我國同濟(jì)大學(xué)、重慶大學(xué)、清華大學(xué)、北京科技大學(xué)、武漢建筑設(shè)計院、四川省建筑科學(xué)研究院等許多院校和科研單位都做出了行之有效的研究工作。

1．1 理論研究

理論研究是基于前人得出的各種理論進(jìn)行的研究。建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的基本理論研究包括結(jié)構(gòu)可靠度、混凝土結(jié)構(gòu)基本理論、組合結(jié)構(gòu)三方面;混凝土結(jié)構(gòu)基本理論方面的研究工作包括對結(jié)構(gòu)材料的研究，主要對鋼材與混凝土的基本性能，對構(gòu)件的基本受力及復(fù)合受力的計算與設(shè)計方法等作系統(tǒng)的研究。

強心誠［1］通過多種方法校核并對比，提出“帶斜柱兩跨多層簡式框架的形變迭代解法”，并舉例證明該計算方法所得結(jié)果完全滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要。這一新的計算方法以節(jié)點轉(zhuǎn)角為運算對象，如桿件兩端相對變位，并能夠自動除誤。運用此方法來解決帶有斜柱的兩跨多層簡式框架結(jié)構(gòu)是可行的。

王家祥［2］研究了浙江省凱悅酒店，做了結(jié)構(gòu)選型、結(jié)果調(diào)整和靜動力分析，提出了斜柱斜框架等結(jié)構(gòu)的靜動力和結(jié)構(gòu)地震振動分析理論。利用ETABS等有限元軟件建立模型，并進(jìn)行了反應(yīng)譜分析和彈性時程地震反應(yīng)分析等，通過改變梁柱截面尺寸，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，放大地震內(nèi)力等，解決了該建筑斜柱斜框架結(jié)構(gòu)受力不合理的問題。

1．2 數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬研究是運用ANSYS，SAP2000，PKPM中的 SATWE等大型有限元分析軟件，對研究對象建立模型、操作、設(shè)計，在靜動力分析、線性以及非線性分析、反應(yīng)譜分析等方面，可為研究者提供可靠的計算分析結(jié)果。

孫艷等人［3］通過對加蓬共和國參議院大廈的結(jié)構(gòu)設(shè)計深入了解，談到了結(jié)構(gòu)方案及計算單元的確定，計算荷載的取值，結(jié)構(gòu)計算與結(jié)構(gòu)分析的方法，并介紹了鋼筋混凝土大斜柱的處理方法，得出結(jié)論:援外工程結(jié)構(gòu)的確定需因地制宜，在劃分復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)計算單元時應(yīng)設(shè)置變形縫，并兼顧建筑物平面的設(shè)置及當(dāng)?shù)氐臈l件等因素。在鋼筋混凝土斜柱的設(shè)計時，合理確定斜柱的懸挑長度和傾角有利于結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

曹秀萍、馬耀庭［4］分析了斜柱在深圳2000大廈高位轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用，該大廈采用了斜柱轉(zhuǎn)換方式，適當(dāng)加強了轉(zhuǎn)換層的樓蓋結(jié)構(gòu)，著重介紹了斜柱在轉(zhuǎn)換層中的應(yīng)用，斜柱轉(zhuǎn)換通過TBSA(5．0版)和SATWE軟件計算的結(jié)果分析和相關(guān)節(jié)點的設(shè)計及施工，說明了采用上下層梁板形成的桁架和斜柱轉(zhuǎn)換是可行的。

傅學(xué)怡、江化冰等［5］針對國外某高層斜柱交叉節(jié)點設(shè)計研究，該建筑外部網(wǎng)筒由圓柱斜向交叉與環(huán)梁編織而成，經(jīng)有限元分析，匯交節(jié)點應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，陰角區(qū)存在明顯的應(yīng)力集中，通過彈性、彈塑性有限元分析，找出了應(yīng)力集中的原因，進(jìn)而有針對性地提出了采用鋼板凳進(jìn)行加強的措施，取得了較好的效果。同時也針對傾斜結(jié)構(gòu)的受力、變形特點，進(jìn)行專項施工模擬分析，保證結(jié)構(gòu)施工安全。

周洲、華立沖等［6］運用SATWE和ETABS兩種軟件對黃浦體育中心辦公樓斜柱結(jié)構(gòu)做了內(nèi)力和在中震情況下彈性分析，針對節(jié)點介紹了設(shè)計和加強措施。同時，提出了利用性能設(shè)計增強斜柱、樓蓋梁等最重要構(gòu)件的抗震性能，并運用中震彈性理論復(fù)核其內(nèi)力。

李達(dá)，牟在根等［7］運用SATWE軟件對局部異形柱的多層框架結(jié)構(gòu)做了建模分析、結(jié)構(gòu)計算，并針對其設(shè)計提出了在SATWE中，柱模型應(yīng)采用柱法計算，墻法模型采用“剪力墻組合配筋程序”和“框架結(jié)構(gòu)”“框剪結(jié)構(gòu)”來進(jìn)行設(shè)計和計算，計算時框架傾覆力矩控制在50%～75%。

1．3 實體模型研究

模型研究是在條件允許下，將模擬研究對象根據(jù)一定比例形成實體模型，并對模型進(jìn)行構(gòu)件性能測試、耐久性測試、混凝土無損測試、結(jié)構(gòu)動力性能測試等，從而直接演示變化因素對實體的影響。

楊勇等人［8］對青島萬邦中心1號樓地上10層一個角柱由倒Y形空間斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)承托的受力性能進(jìn)行分析。重點通過實驗，先分別對柱和斜撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，再同時加載并超過設(shè)計荷載，得到了轉(zhuǎn)換節(jié)點處的剛度和強度在不同荷載下的數(shù)據(jù)，最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得出節(jié)點核心區(qū)受力滿足要求，但支撐構(gòu)件受力復(fù)雜，需加大截面尺寸來改善。

楊治林［9］通過分析框架結(jié)構(gòu)震害形態(tài)，運用擬動力地震反應(yīng)對填充墻和斜柱分析與試驗，提出了在填充墻適當(dāng)增設(shè)斜柱，尤其是在邊角柱的填充墻對角方向，由此提高斜柱結(jié)構(gòu)的抗震能力。

2 研究斜柱結(jié)構(gòu)的方法及應(yīng)該注意的問題

在研究斜柱結(jié)構(gòu)時，目前主要采用中國建筑科學(xué)研究院的PKPM軟件及其程序SATWE、大型通用有限元分析軟件ANSYS和SAP2000、三維有限元分析軟件ETABS等進(jìn)行分析。在研究和分析的過程中，一般需要注意以下問題。

2．1 在理論研究中

1)對斜柱等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究，應(yīng)運用“總綱計算方法”和“立體指點系”的模型，得到樓板在地震作用下的應(yīng)力分布情況，分析整體和各構(gòu)件在空間的反應(yīng)，對整體則按彈性樓板假定來分析。2)軟件設(shè)計時，因為對斜柱沒有要求和構(gòu)造措施，配筋計算和配筋只能以最初內(nèi)力為依據(jù)。所以在配筋時應(yīng)按高一級抗震等級配置，并按照《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，將計算得到的型鋼截面面積擴(kuò)大至原來的1．5倍。

2．2 在數(shù)值模擬研究中

1)在ETABS中，針對不規(guī)則結(jié)構(gòu)，若采用三維動力計算模型，應(yīng)采用CQC法進(jìn)行振型組合。2)為了保證斜柱結(jié)構(gòu)的安全性，運用扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法以及對三條時程曲線進(jìn)行時程分析，以此作為多遇地震下的補充計算，同時還應(yīng)運用其他軟件對其分析比較。3)使用有限元軟件分析時，為保證結(jié)果有效性，應(yīng)使模型所受約束和實際受力情況相符。而在分析構(gòu)件時，如果某一時刻的試驗中的構(gòu)件任一部分損壞，說明計算不收斂。也就是說，構(gòu)件中最早發(fā)生明顯損壞的部分所對應(yīng)的荷載是有限元極限荷載的定義。4)因為沒有將斜柱考慮進(jìn)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的軟件又將斜柱當(dāng)成支撐，所以在總體信息里得到的框架所分擔(dān)的地震傾覆力矩是不合理的。也就是說，斜柱所受的彎矩和剪力不能利用軟件合理調(diào)整，所以，在放大2倍內(nèi)力的同時，應(yīng)重新設(shè)置地震剪力，并確保不小于當(dāng)層2%的總地震力。

3 結(jié)論及建議

通過基于各種方法對斜柱結(jié)構(gòu)的研究分析和大量資料顯示，斜柱的運用在各類建筑環(huán)境中都是解決結(jié)構(gòu)難題的有效辦法。雖然國內(nèi)外對此已進(jìn)行了不少研究，也取得了很多的成果，但仍存在以下問題:

1)收縮和徐變會使斜柱的弧度增大，產(chǎn)生二次彎矩，設(shè)計中宜考慮二階效應(yīng)的影響。

2)斜柱若先外擴(kuò)后內(nèi)收，則在樓層處易產(chǎn)生水平力，樓板的設(shè)計中應(yīng)考慮這種水平拉力。

3)斜柱具有抗彎壓的作用，柱端的壓力會引起柱中截面的彎矩效應(yīng)，受力會因柱端截面與軸線的角度不同而有差別，設(shè)計分析時不能忽略。

4)利用ANSYS軟件對框架結(jié)構(gòu)中的斜柱進(jìn)行有限元分析時，由于軟件本身的缺陷，求解過程中難以收斂幾乎是無法避免的。

5)在SATWE軟件中，將斜柱按照斜桿處理，無法考慮剛域的影響，導(dǎo)致梁端彎矩等失真，特別是當(dāng)斜柱的截面較大時。目前只能通過建直柱模型來間接近似模擬。同時，斜桿在進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整時，無法考慮內(nèi)力放大系數(shù)等，需采用其他軟件進(jìn)行斜柱的內(nèi)力統(tǒng)計，并進(jìn)行校核計算，如MIDAS軟件。

6)結(jié)構(gòu)的受力特征在一定程度上取決于斜柱的傾斜率，在斜角結(jié)構(gòu)中，特別體現(xiàn)在對底層的內(nèi)力、剛度及層間位移的影響;由于底部的軸力較大，對底部斜柱外傾的情況特別不利。

注:呂雪婷也參加了此次寫作。

［1］強心誠．帶斜柱兩跨層簡式框架的形變迭代解法［J］．建井技術(shù)，1981(1):35-42．

［2］王家祥．斜柱斜框架結(jié)構(gòu)靜動力分析與研究［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)，2008:3．

［3］孫 艷，趙洪鐘．加蓬共和國參議院大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計體會［J］．工業(yè)建筑，2005(35):229-231．

［4］曹秀萍，馬耀庭．斜柱在深圳2000大廈高位轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2002，32(8):15-19．

［5］傅學(xué)怡，江化冰，孫 璨．國外某高層斜柱交叉節(jié)點設(shè)計研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2009，39(11):9-12．

［6］周 洲，華立沖．黃浦體育中心辦公樓斜柱結(jié)構(gòu)計算分析［J］．結(jié)構(gòu)工程師，2006，22(1):27-33．

［7］李 達(dá)，牟在根，孟勝國，等．局部柱肢斜交異形柱框架的設(shè)計［A］．第19屆全國結(jié)構(gòu)工程技術(shù)會議論文集(第Ⅲ冊)［C］．2010:348-351．

［8］楊 勇，陳彬磊，樊健生，等．青島萬邦中心倒Y形空間轉(zhuǎn)換組合節(jié)點試驗研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2011，41(9):98，127-130．

［9］楊治林．高層框架結(jié)構(gòu)填充墻中的抗震斜柱［J］．工程力學(xué)，1999(8):702-706．