某鋼框架斜柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王娛

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070

1 結(jié)構(gòu)概況

某高層建筑主體采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，建筑高度為55.5m，地下兩層，地上十三層。為滿足建筑外立面設(shè)計(jì)需要，地上結(jié)構(gòu)底部2層設(shè)置斜柱轉(zhuǎn)換層，斜柱由地下室頂板支承到地上2層頂板。斜柱KZ1、KZ2與豎向平面夾角為35.9°，采用箱型截面600x600x40x40，材性為Q355B。

圖1 斜柱結(jié)構(gòu)局部模型示意圖

2 斜柱相連梁柱受力分析

為研究斜柱結(jié)構(gòu)受力性能特點(diǎn)，現(xiàn)對(duì)斜柱KZ1、KZ2及其相連構(gòu)件進(jìn)行受力分析，分析構(gòu)件如圖2、圖3所示。斜柱對(duì)結(jié)構(gòu)的主要影響是由柱子傾斜而引起的水平分力，該水平分力由梁、板共同承擔(dān)。

圖2 斜柱KZ1內(nèi)力分析圖

圖3 斜柱KZ2內(nèi)力分析圖

表1 KZ1節(jié)點(diǎn)受力情況（kN）

表2 KZ2節(jié)點(diǎn)受力情況（kN）

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出，斜柱的存在使得鋼柱軸力產(chǎn)生水平分量，與斜柱相連的上層鋼梁承擔(dān)該水平力并受拉，各荷載組合下鋼梁包絡(luò)拉力為1318kN，彎矩463kN·m，鋼梁截面為H600x300x12x18，材質(zhì)為Q355B，按拉彎構(gòu)件復(fù)核鋼梁的承載力得到的鋼梁應(yīng)力比0.48[1]。斜柱下層地下室頂板混凝土梁受拉處各荷載組合下包絡(luò)拉力為838kN，梁彎矩523kN·m；構(gòu)件受壓處各荷載組合下包絡(luò)壓力為1330kN，梁彎矩2132kN·m，梁截面為400x900，材質(zhì)為C35，按拉彎、壓彎構(gòu)件復(fù)核梁的承載力滿足安全要求[2]。

3 斜柱節(jié)點(diǎn)有限元分析

斜柱節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵區(qū)域的受力性能研究采用有限元分析方法，節(jié)點(diǎn)模型中梁、柱構(gòu)件均采用實(shí)體單元模擬，大震作用組合下斜柱節(jié)點(diǎn)變形及應(yīng)力計(jì)算分析結(jié)果如圖4～7所示：

圖4 X向地震組合節(jié)點(diǎn)變形

圖5 Y向地震組合節(jié)點(diǎn)變形

圖6 X向地震組合節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

圖7 Y向地震組合節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

由上述計(jì)算結(jié)果可知，節(jié)點(diǎn)在大震作用下的應(yīng)力基本小于Q355鋼材的屈服強(qiáng)度，考慮節(jié)點(diǎn)支座部位出現(xiàn)的應(yīng)力集中與實(shí)際受力存在一定差異，忽略這一差異的影響，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)在大震作用下鋼材未達(dá)到屈服強(qiáng)度，滿足大震作用下關(guān)鍵構(gòu)件抗彎抗剪不屈服的性能目標(biāo)。與斜柱相連的Y向的框架梁根部存在mises應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度的情況，但依然能夠滿足性能水準(zhǔn)3規(guī)定的“不超過(guò)材料最小極限強(qiáng)度”的要求。

4 斜柱相連樓板應(yīng)力分析

由于斜柱的存在，斜柱層及相鄰上下層樓板將承擔(dān)斜柱產(chǎn)生的一部分水平力，樓板受力較為復(fù)雜。地下室頂板厚度為250mm，1-2層樓板厚度為120mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C35（fc=16.7Mpa，ft=1.57MPa），鋼筋采用HRB400。樓板單元采用膜單元計(jì)算分析斜柱相關(guān)層樓板平面正應(yīng)力分布如下：

圖8 第1層樓板平面正應(yīng)力Sx

圖9 第1層樓板平面正應(yīng)力Sy

圖10 第2層樓板平面正應(yīng)力Sx

圖11 第2層樓板平面正應(yīng)力Sy

由圖可知，斜柱相鄰下層樓板（1 層）存在較大的X向拉、壓應(yīng)力，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在各柱邊，KZ1 附近最大拉壓應(yīng)力分別為1.4Pa、-1.1MPa，KZ2 附近最大拉壓應(yīng)力分別為1.3MPa、-1.4MPa，應(yīng)力值向著斜柱外側(cè)逐漸減小，在進(jìn)行樓板配筋計(jì)算時(shí)應(yīng)予以考慮；斜柱相鄰上層樓板（2 層）存在較大的X向拉應(yīng)力，拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在各柱邊，分別為6.2MPa（KZ1 附近）、6.4MPa（KZ2附近），應(yīng)力值向著斜柱外側(cè)逐漸減??；最大拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.57MPa，該層樓板應(yīng)采用1370mm2/m的加強(qiáng)鋼筋。

5 斜柱結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

本文以工程中鋼框架斜柱結(jié)構(gòu)為例，研究了斜柱節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn)及其對(duì)相連結(jié)構(gòu)構(gòu)件、樓板受力性能的影響[3]。通過(guò)分析，該工程中斜柱范圍內(nèi)框架梁柱及樓板均能滿足結(jié)構(gòu)安全要求，為進(jìn)一步滿足性能目標(biāo)設(shè)計(jì)要求，斜柱層加強(qiáng)措施如下：①加強(qiáng)與斜柱上下層相連的梁截面，按拉彎、壓彎構(gòu)件復(fù)核梁承載力。②斜柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域通過(guò)增加斜柱壁厚可有效減小節(jié)點(diǎn)應(yīng)力水平，為大震作用下的性能目標(biāo)儲(chǔ)備一定的安全度。③提高斜柱上下層樓板板厚配筋，采用板底順肋方向附加底筋，板頂雙向拉通配筋，同時(shí)提高斜柱附近受拉方向樓板配筋率。