建筑工程中帶斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

文/李煥 煙臺(tái)金邦冶金工程咨詢有限公司 山東煙臺(tái) 264002

斜撐—柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)是指處于斜向構(gòu)件和垂直構(gòu)件之間的節(jié)點(diǎn)，已成功運(yùn)用于部分高層和超高層建筑當(dāng)中，其可靠性是結(jié)構(gòu)安全和構(gòu)件能夠充分發(fā)揮作用的重要影響因素。評(píng)估該類型節(jié)點(diǎn)的受力性能，通常可以采用試驗(yàn)方式或者模擬方式；與試驗(yàn)方式相比，有限元模擬方式通過(guò)建立數(shù)值模型，可以開展參數(shù)化分析，并能夠較全面地了解受力情況。

1、斜柱轉(zhuǎn)換的形式

在建筑設(shè)計(jì)中，由于使用功能或者立面造型的需要，有時(shí)下部的局部豎向承重構(gòu)件與上部不能對(duì)齊，存在一定偏移，這就造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在某一層需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。目前國(guó)內(nèi)常用的轉(zhuǎn)換形式有框支轉(zhuǎn)換、厚板轉(zhuǎn)換、箱形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、斜柱轉(zhuǎn)換等。斜柱轉(zhuǎn)換根據(jù)其不同的形式，大體可分為三種，即單斜式、正V字斜式和倒V字斜式。住建部頒布的《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)(建質(zhì)［2015］67號(hào))》中規(guī)定，斜柱轉(zhuǎn)換屬于一不規(guī)則項(xiàng)，為“局部不規(guī)則”，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)予考慮，并采取相關(guān)的計(jì)算和加強(qiáng)措施。

2、工程概況

蘇州公安應(yīng)急指揮中心辦公大樓地下1層，地上21層，其中裙房3層。標(biāo)準(zhǔn)層長(zhǎng)59.4m、寬24.5m，建筑面積約35000m2。辦公大樓底層層高為5.0m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2m，主屋面高度為000m，機(jī)房構(gòu)架層頂面高度為99.000m。

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

建筑抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，多遇地震影響系數(shù)最大值根據(jù)地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告確定為0.079。根據(jù)地勘報(bào)告，本工程的場(chǎng)地類別為Ⅲ類，由于土層等效剪切波速處于分界線附近，場(chǎng)地特征周期按插值方法確定為0.51s。

2.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

辦公大樓采用現(xiàn)澆框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，樓面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土肋梁樓蓋。計(jì)算分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)抗震指標(biāo)基本滿足要求。

本工程結(jié)構(gòu)的不規(guī)則情況及應(yīng)對(duì)措施如下：

(1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。本工程部分樓層扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。對(duì)此，加強(qiáng)角柱縱筋并加密箍筋以提高其延性。

(2)樓板局部不連續(xù)。由于2層、3層樓板平面開大洞，開洞面積約35%，有效樓板寬度約50%，形成3層通高共享空間，造成裙房外圍框架柱為穿層柱。對(duì)于樓板平面開大洞產(chǎn)生的不利影響，采用兩個(gè)不同力學(xué)模型的軟件進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，并復(fù)核穿層柱承載力。

(3)豎向尺寸突變。本工程4層以上塔樓平面相對(duì)于裙房屋面在Y向收進(jìn)一跨，豎向構(gòu)件位置縮進(jìn)略大于25%。對(duì)此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取以下措施：1)減小結(jié)構(gòu)剛度的變化，控制上部收進(jìn)結(jié)構(gòu)的底部樓層層間位移角不大于相鄰下部區(qū)段最大層間位移角的1.15倍;2)上下各2層塔樓周邊豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)提高一級(jí);3)加強(qiáng)收進(jìn)部位以下各層結(jié)構(gòu)周邊豎向構(gòu)件的配筋構(gòu)造措施;4)加強(qiáng)體型收進(jìn)部位的樓板厚度(裙房屋面即為局部斜柱轉(zhuǎn)換層)，雙層雙向配筋且配筋率不小于0.25%。

(4)存在局部斜柱轉(zhuǎn)換。本工程4層以上塔樓2根邊柱采用斜柱轉(zhuǎn)換。對(duì)此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取以下措施：1)底部?jī)蓪釉O(shè)置為強(qiáng)制薄弱層，充分考慮豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)對(duì)整體結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不利影響;2)加強(qiáng)局部斜柱區(qū)域樓板厚度及配筋，并對(duì)轉(zhuǎn)換層樓板進(jìn)行平面內(nèi)應(yīng)力分析;3)斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用型鋼混凝土，從嚴(yán)控制軸壓比并補(bǔ)充抗震性能化設(shè)計(jì);同時(shí)對(duì)水平拉梁內(nèi)型鋼按受拉承載力不小于斜柱水平拉力的要求進(jìn)行設(shè)計(jì);4)補(bǔ)充彈性時(shí)程分析計(jì)算。彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)在地震作用下的基底剪力由CQC法包絡(luò)，結(jié)構(gòu)樓層位移尚不存在明顯的突變。

3、斜柱轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑功能要求，大樓底部?jī)蓪油ㄟ^(guò)平面開大洞及抽柱在入口處形成3層通高共享空間，在5層及6層采用2層高斜柱對(duì)塔樓2根邊柱進(jìn)行局部轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換跨跨度為25.2m。

3.1 轉(zhuǎn)換形式及受力性能分析

對(duì)于3跨托2柱的情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)桁架轉(zhuǎn)換和斜柱轉(zhuǎn)換兩種轉(zhuǎn)換形式進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)計(jì)算可知，在桁架轉(zhuǎn)換形式下，受壓斜柱的軸力較大，受拉斜柱的軸力相對(duì)很小，說(shuō)明受拉斜柱的利用效率不高。而斜柱轉(zhuǎn)換形式下，斜柱軸力有所增加，但避免了在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用受拉桿件，便于施工。另外，由于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換桁架斜腹桿較多，因而抗側(cè)剛度較大。上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)換層上下側(cè)向剛度比、樓層抗剪承載力比等指標(biāo)均較難滿足要求。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最終采用斜柱轉(zhuǎn)換。

3.2 斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)

鑒于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的重要性，為提高轉(zhuǎn)換構(gòu)件的剛度和延性，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相關(guān)區(qū)域的上下2層構(gòu)件采用型鋼混凝土，轉(zhuǎn)換柱截面尺寸為1300×1200，含鋼率約6.3%，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55;斜柱截面尺寸為900×1000，含鋼率約5.7%，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)按抗剪中震彈性，抗彎中震不屈服設(shè)計(jì)。按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)［1］7度設(shè)防的水準(zhǔn)，采用靜力推覆法對(duì)塔樓進(jìn)行罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗(yàn)算。

3.3 施工次序?qū)D(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的影響

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的高層建筑應(yīng)考慮施工模擬對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及周邊構(gòu)件內(nèi)力的影響。通過(guò)不同施工次序分析可知，轉(zhuǎn)換柱按一次性加載和施工模擬加載兩種方法分別計(jì)算的軸力相差達(dá)20%，顯示不同施工次序?qū)﹃P(guān)鍵構(gòu)件的內(nèi)力有明顯影響，且隨著斜柱轉(zhuǎn)換上部參與一次性形成整體剛度的樓層數(shù)量增加，轉(zhuǎn)換柱柱底內(nèi)力相應(yīng)變小。

結(jié)語(yǔ)：

當(dāng)超高層建筑由于平面縮進(jìn)，立面上出現(xiàn)斜柱，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)傳力路徑，對(duì)斜柱相關(guān)樓板傳力機(jī)制，斜柱相關(guān)樓面梁傳力機(jī)制，斜柱承載力及相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析?？刹捎貌贾妙A(yù)應(yīng)力筋+增設(shè)非預(yù)應(yīng)力筋等方式加強(qiáng)受拉層樓板。樓面梁傳力機(jī)制復(fù)雜，同斜柱角度、穿越樓層數(shù)、是否角柱和平面布置密切相關(guān)，水平力影響范圍不限于同斜柱直接相連的梁。斜柱計(jì)算長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)需要仔細(xì)計(jì)算分析，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需要關(guān)注節(jié)點(diǎn)域壁厚和加勁板布置。立面斜柱轉(zhuǎn)換區(qū)域，轉(zhuǎn)換層受力機(jī)制同施工方式密切相關(guān)，為最大限度的使結(jié)構(gòu)施工連續(xù)、順暢，減少施工間歇時(shí)間，綜合結(jié)構(gòu)受力和施工組織安排，采用逐層澆筑和封頂后澆筑兩種施工方案，針對(duì)不同轉(zhuǎn)換區(qū)段采用不同的施工方案，并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)要求。