錦城南府酒店搭接柱轉換結構設計

陳正鋼， 莫鵬程， 張俊偉， 李 洲

(四川省建筑設計研究院， 成都 610094)

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錦城南府酒店搭接柱轉換結構設計

陳正鋼， 莫鵬程， 張俊偉， 李 洲

(四川省建筑設計研究院， 成都 610094)

文章對錦城南府酒店工程中采用的搭接柱轉換結構進行了詳細的介紹，通過與傳統梁式轉換結構對比，論證了搭接柱結構具有豎向剛度突變小、傳力明確和經濟合理等優點。重點關注搭接柱轉換結構的內力分析以及結構安全性的保證措施和相應的加強措施，對搭接柱相連上下樓蓋內力做了詳細分析，并給出了搭接柱轉換結構的性能設計要求。

搭接柱； 樓板應力； 性能設計； 大震不屈服； 轉換結構； Etabs

搭接柱轉換結構作為一種新穎的結構轉換體系，通過“搭接塊”傳遞上下柱的內力，以實現立面外凸與收進，已被較多大型工程采用，代表性建筑如福建興業銀行大廈[1-2]等。與傳統梁式轉換結構相比，搭接柱轉換具有建筑空間利用率高、受力明確和避免結構側向剛度突變等優點，尤其對于高位轉換結構，具有良好的抗震性能。已有的研究表明，搭接柱轉換結構如設計妥當，可具有較大的安全儲備[2]。

1 工程概況

本工程位于成都市天府新區劍南大道東側，地下3層主要功能為車庫和設備用房；地上28層，1～5層為酒店配套用房，5層以上為酒店客房、避難層、部分辦公。房屋高度111.00 m，采用鋼筋混凝土框架核心筒結構(底部部分樓層框架柱采用型鋼混凝土柱)。

根據建筑功能要求，外框架柱在24層處內收以實現建筑立面造型，如圖1、圖2所示。為保證高位轉換結構的經濟性和良好的抗震性能，選用搭接柱轉換結構(圖3)。相應搭接塊位置如圖4所示，搭接尺寸C=1 750，h=3 900，搭接比例C/h=0.449。式中參數c、h的意義見圖3。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑立面

圖3 搭接體系示意

上下層柱尺寸分別為700 mm×600 mm、800 mm×800 mm，上下層梁橫截面尺寸分別為600 mm×800 mm、800 mm×800 mm，搭接塊厚度600 mm，搭接塊在平面中的位置如圖4所示。

圖4 23層結構平面布置(單位:mm)

2 結構整體計算參數分析

2.1 主要設計參數

主體結構設計使用年限50年，安全等級二級，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度0.10g，設計地震分組第三組，建筑場地類別II類，特征周期0.45 s，結構阻尼比0.05。地面粗糙度C類，50年一遇基本風壓值0.30 kN/m2。

2.2 結構整體分析

根據搭接柱的工作機理，上下樓層樓蓋梁板存在較大的拉壓力，選用Etabs軟件進行整體結構中的樓板應力分析，選用SATWE和ETABS兩種結構計算軟件進行整體計算分析。兩種軟件周期與基底反力信息見表1、表2。

表1 整體分析周期對比

表2 基底最大反力

3 搭接柱轉換工作機理

搭接柱轉換結構通過搭接塊傳遞上下柱內力，避免了設置剛度、高度較大的轉換梁，以達到建筑空間利用率高和避免結構豎向剛度突變的目的。以本工程的內收型搭接轉換為例，其正常工作狀態下的主內力如圖5、圖6所示。為平衡上下柱軸力產生的力偶，與搭接塊相連的上下梁將出現大小相近、方向相反的拉壓力。根據力的平衡，可近似認為T≈NSC/h ，其中，T為搭接塊上下梁的軸向力，NS為搭接塊上柱軸力，因此當NS確定時，搭接比例C/h越大，梁軸力越大；同時，由于梁板的協同作用，受拉壓梁附近的現澆混凝土樓板也將出現較大拉壓力。

圖5 搭接塊正常使用狀態下的斜壓桿內力

圖6 搭接塊正常使用狀態下變形

轉換構件為結構中的重要受力構件，應保證在較強地震作用下仍不出現明顯破壞；同時為保證搭接柱轉換體系性能目標的統一性，搭接塊、與搭接塊相連上下柱、與搭接塊相連上下梁應采用相同的性能目標。

4 搭接柱轉換結構整體工作性能對比

為進一步了解搭接柱體系工作的優缺點，針對本工程，采用了傳統梁式轉換結構與搭接柱結構進行整體計算并進行對比，結果如下:轉換梁截面尺寸由剪壓比控制，尺寸為900 mm×3 500 mm，為滿足建筑功能要求，轉換梁處的層高達6 300 mm，造成空間上的極大浪費，如圖7所示。

(a)搭接柱轉換結構立面 (b)梁式轉換結構立面 圖7 搭接柱轉換結構與梁式轉換結構對比

較大的層高導致樓層剛度突變，搭接柱轉換結構體系與轉換梁結構體系在地震作用下的各樓層平均位移如圖8所示。由圖8可知，轉換梁結構體系在轉換層處出現了較大的位移突變，這對于結構的抗震性能是極為不利的；而搭接柱轉換結構體系層間變形則相對更加均勻、連續。

(a)X方向 (b)Y方向圖8 地震作用下樓層位移

由于轉換梁對層高增加較多，使得結構總高度增大，周期也相應增加(表3)。

對于轉換梁結構，由于樓層層高的突然變化，使得結構的最小樓層剛度比均出現在轉換層處(表4)。根據JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》，本工程的轉換梁結構存在側向剛度不規則的情況，相比之下，搭接柱轉換結構豎向剛度則較為均勻，滿足規范豎向剛度均勻變化的要求。

因此出于建筑空間的合理利用以及結構合理性角度出發，本工程選用搭接柱轉換結構是較為合理的。

表3 梁式轉換與搭接柱轉換結構周期對比

表4 梁式轉換與搭接柱轉換結構最小剛度比

5 重力荷載作用下的承載力和剛度控制

5.1 搭接塊

應對搭接塊在正常使用狀態下的裂縫進行控制，根據文獻[1]的建議可采用式(1)計算，其中β按50010-2010《混凝土結構設計規范》式9.3.10取為0.65。正常使用狀態下搭接塊上柱軸力Vk=2 953.7 kN。

(1)

β·ftk·b·h=3 346.20 kN>2 953.7 kN

滿足要求[1]。

5.2 梁板承載力和剛度控制

5.2.1 樓板受力分析

重力荷載作用下，22層樓蓋主要承擔拉力，23層樓蓋主要承擔壓力，22、23樓層應力云圖分別如圖9、圖10所示。觀察圖9、圖10的X方向應力云圖發現，右側風井開洞導致樓蓋應力無法均勻擴散傳至核心筒，使該處樓蓋與核心筒相連處出現應力集中(以22層為例，最大軸向力148.81 kN/m，右側箭頭處)；與此相比，左側樓板在搭接塊與核心筒間較為連續，樓板應力傳遞出現良好的擴散現象(以22層為例，最大軸向力125 kN/m，左側圓圈處)。與搭接塊相連的上下樓蓋板在應避免在傳力路徑上開洞，本項目中由于風井位置無法挪動，因此需對開口處樓板予以加厚并加強配筋。對22層，右側風井周圍樓蓋厚度取為180 mm，其余處板厚150 mm；對23層，與搭接塊相連梁相連的樓板厚度取為180 mm，其余板厚150 mm。

(a)X方向

(b)Y方向圖9 22層樓板應力云圖

22層樓板板厚180 mm處最大平均拉應力149/180=0.86 N/mm2

(a)X方向

(b)Y方向圖10 23層樓板應力云圖

5.2.2 梁受力分析

重力荷載作用下，上下層梁、柱的內力如圖11所示，受拉層梁控制截面內力如表5所示。

上梁配筋：上部19φ28，下部17φ28；下梁配筋：上、下均配20φ28。同時，梁縱向鋼筋應采用機械連接并加強錨固，受拉層梁由于受到較大軸拉力因此縱筋全長拉通。以上措

表5 受拉層梁控制截面內力

施可保證拉壓層梁在前文所述的在重力荷載作用下的承載力和剛度及裂縫控制。

5.3 搭接塊相連上下柱設計

與搭接塊相連的上下柱作為搭接體系的豎向構件，其承載力與延性控制十分重要，參考已有的工程研究[1]，采取以下方法進行加強：

(a)彎矩圖

(b)軸力圖

(1)抗震等級提高一級，并嚴格軸壓比限值，設計軸壓比≤ 0.55；

(2)彈性大震作用下的強剪弱彎，構件斜截面極限承載能力安全度≥1.2倍正截面極限承載能力安全度；

(3)彈性大震組合下正截面及斜截面極限承載能力滿足要求(即進行構件層面的性能設計)；

(4)嚴格控制上下柱在彈性大震組合作用下處于大偏壓受力狀態(ξb≤0.55)。

5.4 筒體加強

由于本工程框架部分分配的地震剪力標準值的最小值小于結構底部總剪力標準值的10 %，因此，框架承擔的地震剪力標準值應按照JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》9.1.11-2進行放大，同時墻體的抗震構造措施按抗震等級提高一級后采用。

與搭接塊相連的上下層梁其軸向力直接傳遞至核心筒體，筒體應具有足夠的強度以保證與上下層梁的可靠連接，因此在與搭接塊上下層梁的連接部位在豎向應設暗柱，在水平向應設暗梁，同時為保證梁鋼筋的可靠錨固，剪力墻厚度增加為500 mm。

6 搭接柱轉換體系性能設計

搭接柱和與之直接相連的構件是本工程的關鍵部位，若在地震作用下出現過大變形將使得結構出現連續倒塌的可能。為保證搭接體系在罕遇地震作用下不出現過大損壞，將與搭接塊相連的構件的設計性能目標定為大震屈服，以及整個搭接體系為地震作用下的非耗能構件；對于搭接塊，其作為搭接體系的節點，地震作用下應具有更高的可靠度，保證在大震下不出現損壞及大震彈性的要求。

因此，本工程搭接柱體系的性能目標為：與搭接塊直接相連構件大震不屈服，搭接塊為大震下彈性。計算時，根據文獻[7]的研究成果，可采用彈性算法近似模擬結構大震下的動力響應，此時周期折減系數、阻尼比取值分別為0.9、0.07。由于前述對搭接塊相連梁的裂縫、剛度控制已使得梁縱筋量較小震計算配筋結果有較大放大，因此，在大震不屈服性能目標驗算時，梁配筋值只需少許放大即可滿足性能要求；同時，經大震不屈服計算，與搭接塊相連的柱配筋均有較大放大。搭接塊大震下的承載力驗算內容如下：

6.1 剪壓比

罕遇地震作用下搭接塊豎向剪力設計值VV=6 481 kN，(1/γRE)·(0.15fcbh)=7 953 kN，因此

(2)

滿足要求[1]。

6.2 配筋

參考GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》11.3.4，偏保守取搭接塊的抗剪能力僅考慮其鋼筋項，忽略混凝土項的作用，參考文獻[1]，抗剪配筋計算公式采用式(3)、式(4):

(3)

(4)

豎向剪力設計值V1=6 481 kN，水平剪力設計值V2=2 724 kN；

豎向鋼筋Asvv/Sv≥V1·γRE/(fy·h)=3.9，配筋率0.65 %；

水平鋼筋Asvh/Sh≥V2·γRE/(fy·c)=3.7，配筋率0.62 %；

搭接塊配筋如圖12所示，配筋滿足要求[1]。

圖12 搭接塊配筋(單位:mm)

7 結論

為保證建筑高位立面收進的需要，本工程采用了搭接柱轉換結構體系。通過上述分析，得到以下結論：

(1)搭接柱作為一種傳力直接可靠的轉換結構，具有良好的經濟性能和抗震性能，尤其適用于高位轉換結構。

(2)搭接柱轉換體系在地震作用下屬非耗能體系，因此相比普通構件應具有更高的性能目標。

(3)在建筑平面布置時，與搭接塊相連樓板應盡量避免開洞以保證樓蓋應力的連續傳遞。

[1] 徐培福,傅學怡.搭接柱轉換結構的實驗研究與設計要點[J].建筑結構，2003，33(12).

[2] 傅學怡,雷康兒,楊想兵,等.福建興業銀行大廈搭接柱轉換結構研究應用[J].建筑結構.2003，22(12).

[3] 朱祖敬,趙松林.天河方圓酒店搭接柱轉換結構設計[J].建筑結構，2012，42(6).

[4] GB 50011-2010 建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[5] JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[6] GB 50010-2010 混凝土結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[7] 傅學怡,賈建英.結構抗震的一個新理念——彈性反應譜大震試析[C]//第十七屆全國高層建筑結構學術交流會論文集，2002.

陳正鋼，男，高級工程師，國家一級注冊結構工程師；莫鵬程(1990～)，男，碩士研究生，助理工程師，從事結構設計工作。

TU318.2

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[定稿日期]2016-06-01