某高層建筑斜柱設計探討

摘要：本文針對某高層建筑的結構特點，對其豎向斜柱進行內力分析、節點分析及與斜柱相連的樓面梁板受力分析等，最后對薄弱部位、薄弱構件及其相關節點采取針對性的抗震加強措施。

關鍵詞：斜柱；高層建筑；內力分析；節點分析；薄弱；抗震加強措施

1、工程概況

本工程由塔樓、裙房及地下室組成，為一單體建筑物，主要功能為辦公。裙樓較長邊45.3米，較短邊32.0米，塔樓為32.0x32.0米方形尺寸，為了滿足建筑立面的需要，7～屋面層逐層削角使立面形成斜面?？偨ㄖ娣e為42912.82平方米，其中地上33754.60平方米，地下建筑面積9158.22平方米。結構主要屋面高度99.9米，結構主要跨度為8.5米和7.5米。地上26層，主要層高4.8米、4.5米及3.7米；地下室2層，層高分別為5.10米、3.90米。建筑立面效果及立面圖詳見圖1、圖2。

本建筑抗震設防類別為丙類，結構安全等級二級，設計基準期及設計使用年限為50年；計算水平位移的基本風壓為0.35kN/m2，構件承載力設計時取基本風壓的1.1倍，地面粗糙度B類；地震作用設防烈度6度，設計基本地震加速度0.05g，地震分組為第一組，場地類別Ⅱ類，場地特征周期為0.35S。根據場地工程地質條件，本工程擬采用采用旋挖鉆機成孔灌注樁基礎型式，選擇<3-2>中風化泥質粉砂巖作為樁端持力層。

2、結構布置及主要計算結果

本工程結構體系為框架-核心筒結構，主樓結構布置角部采用井字梁樓蓋，其余地方采用主次梁樓蓋。為了達到建筑立面效果，垂直柱加大跨懸臂梁板樓面已難以滿足要求，故在7層及以上角部采用斜柱形式，兩向傾斜，傾角約79o。典型的結構平面布置圖詳見圖3、圖4、圖5、圖6。

本工程結構采用 “多、高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件-SATWE”（2010版） 進行結構整體分析。計算表明，只存在扭轉不規則一項，最大扭轉位移比1.31，其余各項計算指標均符合現行規范要求，不存在偏心布置、凹凸不規則、剛度突變、承載力突變等情況，高度未超過規定限值，結構類型符合現行規范的適用范圍，不屬于結構布置復雜的鋼筋混凝土高層建筑，不是體型特別不規則、嚴重不規則的高層建筑，不屬于超限高層建筑。本工程的設計難點在于斜柱，特別是7層、18層斜柱根部的設計。

3、斜柱的力學性能分析

斜柱的受力特征在一定程度上取決于斜柱的傾斜率，在斜角結構中，特別體現在對底層的內力、剛度及層間位移的影響。相對于直柱，柱傾斜后，軸向剛度對側向剛度的影響會明顯增加，將會對水平作用下的結構受力特性產生顯著的影響，同時斜柱軸力引起的水平分量會對相連樓層，尤其是斜柱的根部、頂部等受力不在同一直線上的相連樓層樓面梁板產生巨大的水平推力，使樓板平面產生巨大的變形，使樓板開裂，剛度退化，斜柱結構的水平位移逐漸增大。另就斜柱本身，柱傾斜后產生二次彎矩明顯，設計中需考慮重力二階效應的影響。因此，對斜柱及與之相連水平構件的受力特性和內力進行詳細分析，并采取相應的構造及加強措施，以確保結構安全可靠。

在部分軟件中，將斜柱按照斜桿處理，無法考慮剛域的影響，導致梁端彎矩等失真，特別是當斜柱的截面較大時。同時，斜桿在進行內力調整時，無法考慮內力放大系數等，需手算或者采用其他軟件進行斜柱的內力統計。為保證作為第二道防線的外框架具有一定的抗側力能力，需要對框架承擔的剪力予以調整，當把斜柱作為斜桿而不是柱單元處理時，應當按規范進行內力調整，按照組合后的內力，重新對斜柱進行配筋驗算。斜柱是重要構件，受力特性不同于普通柱，為確保大震下的可靠工作，對斜柱的抗震等級提高一級。

4、與斜柱相梁樓面梁板受力分析

由于塔樓斜柱的軸向力和剪力會使樓蓋（梁、板）受拉，不考慮樓蓋梁的剛度退化時，樓蓋梁處于最不利受力狀態；當考慮樓蓋梁的剛度退化（如退化50%或30%）且考慮長期作用影響時，斜柱和樓板處于最不利受力狀態。因此，樓蓋（梁、板）承載力設計應該分別滿足最不利受力狀態下的要求。

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第10.1.5條規定：“復雜高層建筑結構中的受力復雜部位，宜進行應力分析，并按應力進行配筋設計校核”。本工程對斜柱、豎向柱與斜柱相連節點等構件采用軟件計算和手算相結合的分析方法進行應力分析。舉例：18層斜柱根部，查SATWE計算結果，斜柱根部軸力4868kN，產生的水平推力4868*cos790=930kN，選取臨近角部第一跨形成剛架， 求得相應梁軸力465kN，查SATWE計算結果，梁端彎矩447 kN·m，對此梁按拉彎構件復核梁截面，并進行裂縫寬度驗算。求得相應柱剪力465kN，查SATWE計算結果，柱端軸力6488 kN，彎矩447 kN·m，對柱進行斜截面受剪承載力復核計算。通過復核計算，確保節點及相連構件具有足夠的承載能力和安全儲備。

為保證節點可靠的傳力，對斜柱和直柱、梁相交處節點進行了特別設計，使斜柱、直柱、框架梁三種構件軸線交于一點，在內角位置加腋，增強剛度，有效傳遞水平荷載，不至于引起應力集中。主要節點大樣詳見圖7、圖8。

樓面板在軸力的作用下，在樓板內產生較大的變形，傳統的剛性樓板假定已不再成立，結構計算時應假定樓板為彈性。樓板應力分析時采用考慮樓板面內、面外剛度的殼單元；考慮部分樓板出現裂縫引起的剛度退化時，樓板計算采用不考慮面外剛度的膜單元。樓板配筋設計時，按同時考慮軸力、豎向荷載的拉彎構件進行設計，確保不出現貫通性裂縫。對應力水平較高的斜柱根部樓板，還要保證樓板不出現抗剪屈服，只考慮鋼筋抵抗部分拉力計算樓板配筋，并控制鋼筋應力，確保鋼筋不屈服?？紤]樓面梁剛度退化引起與之相連的構件產生內力重分配，導致樓板承擔的拉、壓力的增加，將框架梁軸力的50%由樓面板承擔進行樓板配筋驗算，按兩者的結果包絡驗算，確保樓板可靠傳力。構造上，斜柱根部所在層樓板厚度取180mm，并按0.25%配筋率雙層雙向貫通配筋，局部應力較高的樓板按計算另加附加筋，確保樓板不出現貫通裂縫及有效傳遞水平力。

5、結語

斜柱可以很好的解決帶斜面的建筑，在結構設計中要充分認識到斜柱的特殊力學性能：柱傾斜后，軸向剛度對側向剛度的影響，對水平作用下的結構受力特性產生顯著的影響，斜柱軸力引起的水平分量對相連樓層樓面梁板產生水平推力，使樓板平面產生變形，使樓板開裂，剛度退化等，選取正確的結構力學模型，力學假定進行計算對關鍵樓層、關鍵節點、關鍵構件采取加強措施，確保斜柱及相連構件有較好承載能力及延性，確保結構整體安全可靠。

參考文獻

[1]高層建筑混凝土結構設計規規程 JGJ 3—2010

[2]建筑抗震設計規范 GB50011-2010

[3]傅學怡 大型復雜建筑結構創新與實踐（精）