某辦公樓穿層柱受力分析及應(yīng)用探析

王梅芳 （安徽南巽建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011）

0 前言

目前的建筑設(shè)計(jì)對(duì)空間的多變性要求越來(lái)越高，例如建筑大堂、門廳、下沉式廣場(chǎng)、大中庭、宴會(huì)廳、立面凹造型等等各種穿層高大空間的使用變得越來(lái)越多。常用的穿層高度為2～3 層，穿層區(qū)域面積占本層面積的大小對(duì)結(jié)構(gòu)模型的假定及穿層柱分析方法的選取都有一定的影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合理處理這些非常規(guī)構(gòu)件，確保結(jié)構(gòu)安全的前提下，讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便捷、快速、易于實(shí)現(xiàn)也是結(jié)構(gòu)師應(yīng)解決的問(wèn)題。本文從實(shí)際出發(fā)，采用了不同的方法對(duì)穿層柱進(jìn)行理論分析，選取最適合此類工程的設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于安徽合肥，地上有2 幢高層辦公樓分別為23 層（1#樓）和18 層（2#樓），下設(shè)三層地下車庫(kù)。1#樓和2#樓均采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，1#樓裙房為3層商業(yè)，采用框架結(jié)構(gòu)。1號(hào)樓及裙房底層位置入口大堂與下沉式廣場(chǎng)位置因功能需要樓板開(kāi)洞，形成穿層柱。針對(duì)穿層柱做了多種方法進(jìn)行分析，使其設(shè)計(jì)安全合理。

2 穿層柱的成因分析及設(shè)計(jì)要求

穿層柱顧名思義就是超過(guò)一層，其形成原因多是為滿足大空間的需求或者是因?yàn)楣δ懿煌瑢?duì)層高的要求不同，將局部樓板開(kāi)洞造成的，導(dǎo)致部分框架柱在樓層位置無(wú)法設(shè)置框架梁與之相連，或者只設(shè)置單方向與其相連，從而形成長(zhǎng)短柱共用的情況。穿層柱除計(jì)算長(zhǎng)度與樓層柱不相同外，在整體分析中所承擔(dān)的地震剪力也發(fā)生變化。力流是根據(jù)豎向構(gòu)件剛度進(jìn)行分配的，穿層柱由于其高度相對(duì)常規(guī)樓層柱，柱截面相同的情況下，計(jì)算長(zhǎng)度加大，剛度就會(huì)減小，在計(jì)算分析過(guò)程中分配的地震剪力較小，從而導(dǎo)致計(jì)算配筋比樓層柱小。

計(jì)算分析中應(yīng)考慮多種可能性，例如中震、大震中出現(xiàn)短柱先破壞，失去抗震能力后，地震剪力全部轉(zhuǎn)由長(zhǎng)柱承擔(dān)的可能性。設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅應(yīng)考慮短柱、長(zhǎng)柱的安全，樓板轉(zhuǎn)遞地震作用的能力也不能忽視。故“關(guān)于超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)把關(guān)”的要求中建議:首先要判斷對(duì)樓蓋整體性的影響情況，開(kāi)洞對(duì)樓蓋整體性影響較小的可以按常規(guī)方法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，采用構(gòu)造措施進(jìn)行加強(qiáng)；若開(kāi)洞對(duì)樓蓋整體性影響較大，就不能視為獨(dú)立的一個(gè)樓層計(jì)算時(shí)，建議與相鄰層并層進(jìn)行計(jì)算分析;并仔細(xì)復(fù)核并層后相鄰上下樓層的剛度比和承載能力比，避免同時(shí)出現(xiàn)軟弱層和薄弱層的情況。其次，開(kāi)洞較大時(shí)，局部樓板建議按大震作用下復(fù)核樓板平面內(nèi)的承載力;另外，框筒結(jié)構(gòu)中框架柱在多道防線調(diào)整的基礎(chǔ)上，外框的長(zhǎng)柱要按樓層柱的剪力復(fù)核其承載力;特殊情況下樓層框架短柱建議按大震安全復(fù)核承載力，確保存在穿層柱的樓層的結(jié)構(gòu)安全性。

3 穿層柱的一些常規(guī)分析方法

建筑物的形式各式各樣，有規(guī)則的，有異形的。一些常規(guī)建筑，形體比較規(guī)則，開(kāi)洞對(duì)樓蓋結(jié)構(gòu)影響較小，形成的穿層柱數(shù)量較少，其高度也不大，且不在結(jié)構(gòu)受力最不利位置如角部、平面轉(zhuǎn)角處、細(xì)腰薄弱等位置，可以按照常規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用構(gòu)造方法進(jìn)行加強(qiáng)處理。常用幾種補(bǔ)充計(jì)算方法有長(zhǎng)細(xì)比校核、參考柱法、并層計(jì)算法、空間分析法等。

3.1 長(zhǎng)細(xì)比校核

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》，方形柱的長(zhǎng)細(xì)比L0/b＜30（Lo 為柱的計(jì)算長(zhǎng)度，b 為矩形截面的短邊長(zhǎng)，h 為長(zhǎng)邊長(zhǎng)），當(dāng)L0/b＞30 時(shí)，其屬于細(xì)長(zhǎng)柱，破壞時(shí)接近于彈性失穩(wěn)，一般控制在L0/b =15 左右。由于長(zhǎng)細(xì)比較大時(shí)柱的二階效應(yīng)明顯，易失穩(wěn)，故柱軸力較大時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制長(zhǎng)細(xì)比；《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)用指南》中矩形框架柱截在之b及h應(yīng)不小于（1/15～1/20）H(H 為層高)；《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(cè)》（第五版）中框架柱的截面宜滿足L0/b≤30；L0/h≤25。常規(guī)柱的長(zhǎng)細(xì)比不會(huì)起控制作用，而穿層柱的高度較高時(shí)，就要注意長(zhǎng)細(xì)比，出現(xiàn)長(zhǎng)細(xì)比較大時(shí)，建議增大截面，確保安全。結(jié)合上述經(jīng)驗(yàn)，主樓穿層柱截面取值為1200mmX1000mm，裙房柱截面為600mmX600mm。主樓L01 為8.4m，裙房L02 為12.6m。L0/b 分別為8.4 和21,均可滿足經(jīng)驗(yàn)值的要求。

3.2 參考柱法

常規(guī)建筑設(shè)計(jì)時(shí)，很多工程穿層柱數(shù)量很少、占比較小，并且結(jié)構(gòu)整體布局規(guī)整，地震烈度不高，地震作用力不大時(shí)，可以采用簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，按同層相類似情況的普通框架柱所分配到的地震力作為參考或多個(gè)框架柱的平均值作用依據(jù)，對(duì)穿層柱進(jìn)行單獨(dú)核算。核算原則是：框架柱的軸力、計(jì)算長(zhǎng)度等參數(shù)根據(jù)穿層柱實(shí)際情況取值，而地震力則是根據(jù)參考框架柱的地震力考慮，并結(jié)合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。這種方法簡(jiǎn)單易于操作，但是對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)的要求相對(duì)較高，對(duì)參考柱的選取也要結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)。還有個(gè)缺點(diǎn)就是地震力較高時(shí)，驗(yàn)算結(jié)果可能會(huì)相差較大，造成工程設(shè)計(jì)的浪費(fèi)。本工程也做了相應(yīng)分析，分析結(jié)果如表1所示。

由表1 可知：普通柱與穿層柱比較，非穿層方向兩者計(jì)算配筋相差不大，僅相差2.45%，而穿層方向的計(jì)算結(jié)果比普通柱的配筋相差較大，差值為19%。為確保安全，設(shè)計(jì)時(shí)兩者取包絡(luò)進(jìn)行配筋。

單獨(dú)計(jì)算法普通柱與穿層柱的結(jié)果比較 表1

3.3 穿層合并法

穿層合并法從字面就可以理解，就是把含有穿層柱的兩層或數(shù)層，合并為一層考慮，把開(kāi)洞層作為層間板和層間梁來(lái)處理。模型分析時(shí)層高的取值為兩層或數(shù)層的層高，計(jì)算分析時(shí)軟弱層與薄弱層易出現(xiàn)在同一層，對(duì)結(jié)構(gòu)安全不利，需要調(diào)整截面來(lái)滿足各參數(shù)的需要，故得加大豎向構(gòu)件的截面，調(diào)整截面后的合并后的模型還要與原模型（調(diào)整截面后）進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

穿層合并法與參考柱法的設(shè)計(jì)思路基本是類似的，都是將周邊參考框架柱或者將合并樓層后將地震力較為平均地分配給穿層柱和樓層柱，都是人為的假定穿層柱與樓層柱受到相同的地震力，都增大了穿層柱承擔(dān)地震作用的能力。這樣做最大的益處在于確保穿層柱不會(huì)比樓層柱先進(jìn)入塑性狀態(tài)，讓結(jié)構(gòu)的塑性變形發(fā)展方向不在假定范圍內(nèi)，造成結(jié)構(gòu)整體破壞形式的不可控制。本計(jì)算方法分析結(jié)果如表2。

由表2 可知：采用穿層合并法普通柱與穿層柱的計(jì)算配筋差別不大，配筋差值在5%以內(nèi)。

穿層合并法的普通柱與穿層柱的結(jié)果比較 表2

采用上述三種方法，對(duì)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析如表3。

由表3 可知，此工程采用三種模型，對(duì)結(jié)構(gòu)整體參數(shù)影響較小，特別是完整模型與并層模型的配筋幾乎差別，而開(kāi)洞模型的計(jì)算配筋卻相差較多，為確保結(jié)構(gòu)局部安全，對(duì)開(kāi)洞位置進(jìn)行單獨(dú)分析是必要的。

不同計(jì)算方法對(duì)結(jié)構(gòu)整體的影響分析表 表3

3.4 空間模型計(jì)算分析

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)分析軟件采用有限元的分析方法，可以對(duì)結(jié)構(gòu)受力狀況進(jìn)行更為準(zhǔn)確的模擬，模型的假定更為接近現(xiàn)狀，從而能確定穿層柱較為真實(shí)的受力情況。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)，考慮穿層柱在“中震不屈服”或“大震不倒”的要求下的受力狀況分析，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求的性能目標(biāo)要求對(duì)計(jì)算結(jié)果做相應(yīng)的調(diào)整。這種空間模型計(jì)算方法與實(shí)際受力情況較為接近，能更好地對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行分析，既能確保安全，又不會(huì)因?yàn)榉糯笤斐刹槐匾睦速M(fèi)。

4 專項(xiàng)設(shè)計(jì)方法

①對(duì)于整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、規(guī)則，但穿層柱長(zhǎng)細(xì)比較大的情況，受建筑限制截面無(wú)法增大，可以考慮采用模型做法或有限元分析法對(duì)穿層柱進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)分析。

模型做法是鋼筋混凝土細(xì)長(zhǎng)柱撓曲失穩(wěn)的近似計(jì)算方法，是一種以一般計(jì)算理論為基礎(chǔ)的模型柱的簡(jiǎn)化計(jì)算，當(dāng)穿層柱長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大時(shí)，此計(jì)算方法較為適用。

目前常用的軟件如SATWE，對(duì)穿層柱的處理是程序自動(dòng)搜索穿層柱信息，但地下室柱除外。故存在下沉式廣場(chǎng)引起的穿層柱軟件無(wú)法識(shí)別，要有足夠的重視。另外，樓板剛性假定時(shí)，穿層柱是按層進(jìn)行考慮，其計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)與實(shí)際不同，故對(duì)穿層柱配筋時(shí)，不能采用強(qiáng)制剛性樓板假定。

②對(duì)于存在多項(xiàng)不規(guī)則的復(fù)雜高層建筑，出現(xiàn)穿層柱時(shí)，按常規(guī)設(shè)計(jì)方法，無(wú)法保證結(jié)構(gòu)安全性，應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。此類穿層柱的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)整體大震下的彈塑性進(jìn)程分析，并在分析中重點(diǎn)關(guān)注，穿層柱不能成為率先出現(xiàn)塑性鉸的構(gòu)件，并對(duì)穿層柱進(jìn)行屈曲分析。屈曲分析首先要給出穿層柱的初始缺陷位移，然后再逐級(jí)加載，分析出導(dǎo)致柱失穩(wěn)破壞的屈曲因子和屈曲模態(tài)，再結(jié)合罕遇地震穿層柱分配到的地震作用力，就可以判斷出穿層柱的安全性。

5 構(gòu)造加強(qiáng)措施

穿層柱大部分都是位于門廳等人員密集的部位，在抗震構(gòu)造上建議加強(qiáng)，建議提高一度采取抗震構(gòu)造措施。柱箍筋加密，箍筋直徑12mm，箍筋間距100mm 并減小箍筋肢距，此措施可增加框架柱延性，地震發(fā)生時(shí)為提供時(shí)間為人員逃生或者事后救援；變形協(xié)調(diào)，可以考慮加強(qiáng)其相鄰上下層樓板及相鄰跨樓板，板厚宜做到150mm，采用雙層雙向配筋，配筋率不宜小于0.25%，確保上下樓層變形一致；樓層剪力調(diào)整，控制穿層柱所分配的地震力，原則上不小于樓層所有框架柱所受地震力的平均值，也不小于本層總地震剪力的1.5%，確保穿層柱地震作用下的安全性。

6 結(jié)論

①穿層柱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其長(zhǎng)細(xì)比，特別是因下沉式廣場(chǎng)引起的穿層柱，要復(fù)核其長(zhǎng)度系數(shù)的正確性。

②穿層柱分析應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)單獨(dú)進(jìn)行分析，既要保存安全，也要經(jīng)濟(jì)合理，并且針對(duì)不同情況采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

③穿層剪力墻，特別是高層下層帶商業(yè)的這類建筑，兩層底商，經(jīng)常會(huì)在剪力墻兩側(cè)設(shè)置樓梯，就必須正確判斷墻體的約束情況，認(rèn)真復(fù)核這類墻的穩(wěn)定性，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。