斜柱框架轉換在超高層混合結構中的應用

高永卓(陜西建工安裝集團有限公司 陜西 西安 710068)

1 前言

本文以實際工程為背景，探討了超高層混合結構中斜柱框架轉換設計中應注意的一些問題。該工程高241m，地下4層，地上53層。六層以下采用型鋼混凝土外框架，七層以上由方鋼管混凝土柱和鋼梁組成外框架，混凝土核心筒上下貫通，在核心筒所有的縱橫墻相交處設置型鋼混凝土柱，該措施有效提高了核心筒的延性，同時也方便了鋼梁與核心筒的剛性連接。依照建筑功能的要求:6～27層為辦公樓層，30～53層為酒店，酒店部分進深11．4m，辦公部分進深13．5m，酒店層與辦公層之間設空中大堂及酒店配套服務樓層，外框架柱的豎向布置采用了斜柱轉換方案:將30層以上的直柱，在28、29層間采用斜柱轉換的方式過度到27層以下的直柱，并貫通至基礎。

2 計算模型

由于本工程以混凝土核心筒為主要抗測力構件，在外框架轉換方向能很好的滿足平截面假定。在完成結構整體計算分析后，針對斜柱框架轉換部位分別進行空間整體分析和平面框架分析。空間整體分析依然采用整體結構模型，讀取斜柱框架部分的梁柱內力并與平面分析結果對比。斜柱框架轉換部位的局部模型如圖1所示。平面框架計算模型截取31層至地下一層(嵌固端)，不考慮地下室主塔樓區域外結構的影響，如圖2所示。斜柱框架部分構件編號及計算簡圖如圖3所示。

針對以上幾點，提出以下設計建議:

(1)平面框架計算結果大于空間整體計算結果是容易接受的，因為空間整體計算考慮了結構的整體工作效應和內力的空間分布。為保證斜柱轉換框架結構的安全，可取兩種計算模型的最不利情況進行構件設計。

(2)斜柱轉換框架部位的梁成為拉(壓)彎構件。對壓彎構件應充分注意梁的穩定問題，因此，相應區域的樓面荷載必須嚴格控制。對拉彎構件有兩種方式解決拉力產生的不利影響，一種是被動方式，一種是主動方式，這將在后面展開討論。

(3)斜柱轉換框架部位的梁柱及梁墻剛接節點成為關鍵，應注重剛性連接的構造措施，保證結構的安全。

3 中震下關鍵構件分析

依據本工程的特點，制定了中震下結構的性能目標:中震下核心筒墻肢不出現整體受拉，底部加強部位和斜柱轉換部位豎向構件為彈性，其它部位豎向構件不屈服。為達到這一性能目標，采用兩種方法分別考察斜柱轉換部分的受力性能:(1)在原有彈性模型基礎上，調整加速度反應譜參數至中震情況，但所有構件參數依然按彈性設計考慮;(2)采用彈塑性時程分析方法，選取合適的構件恢復力模型、輸入適當的地震波進行中震動力分析，并考察斜柱轉換框架的動力反應。

首先進行整體模型的彈性中震反應譜計算(簡單的說即將地震力放大2．81倍)，計算結果表明斜柱轉換框架部分仍處于彈性階段。然而必須認識到，以上彈性中震反應譜計算的結果是并不一定偏于安全的，因為中震下整體結構中會出現一部分構件進入彈塑性狀態，結構內力會產生重分布，所以有必要進行中震彈塑性分析。

選用一條人工波和三條實震記錄(El Centro－EW、WufengNE－NS、YunlincitySE－NS，后兩條為1999年臺灣集集地震的記錄)，利用CANNY軟件進行彈塑性時程分析［4］。分析結果表明:在斜柱框架轉換方向(Y方向)，對于中震下(PGA=100gal)的四條地震輸入，結構層間位移角最大不超過1/300，底部加強區域和斜柱轉換部位的豎向構件均處于彈性工作狀態，斜柱轉換部位的框架梁沒有屈服，其它豎向構件也沒有屈服。

通過以上分析，可以看出結構可以達到中震下的抗震性能目標。

4 受拉樓層解決方案

在28層斜柱轉折處，在豎向荷載及水平荷載的共同作用下，斜柱產生了較大的水平力。連接外框架柱和核心筒的框架梁亦產生了較大的拉力，框架梁成為拉彎構件。為解決拉力產生的不利影響，可以采用被動式和主動式兩種方法。被動式方法即為加大梁截面，嚴格按照空間整體計算和平面計算的最不利荷載組合進行拉彎構件驗算和校核。當然梁截面的增大也會帶來梁剛度的增大，同時其內力會隨之發生變化，因此這是一個不斷迭代的過程，最終梁截面還須滿足彈塑性設計的性能要求。主動式方法是在外框架與核心筒之間設置預應力鋼索，并以無粘結形式設置在鋼梁內(梁為鋼箱梁)，以主動抵消一部分梁內水平拉力。同時，在第28層樓面內設置水平桁架，加強受拉樓層的平面內整體剛度。

5 節點設計

本工程為鋼框架—混凝土核心筒混合結構體系，外框架柱距達到9m，為稀柱框架，為保證結構的剛度及鋼框架能發揮二道防線的作用，將短方向(Y方向)的框架梁設計成與核心筒和外框架柱剛性連接。

因此，剛性連接的構造在很大程度上決定了整體結構的性能以及斜柱框架轉換結構的成立。綜合考慮節點受力性能和施工工藝，本文采用柱及核心筒上(核心筒內設型鋼柱)設短梁，鋼梁與短梁采用現場栓焊混合連接的節點形式。

6 結論

(1)經過合理設計，斜柱框架轉換結構完全可以應用到超高層混合結構中，尤其適合于高位轉換，且斜柱框架轉換形式能最大限度的滿足建筑設計對內部空間的要求。

(2)針對受拉樓層，可采取在鋼梁內增設預應力鋼索，以主動抵消梁內拉力，使轉換部位框架梁具有更高的安全儲備。受拉樓層內設置水平桁架支撐亦是提高樓層剛度的有效方法。

(3)針對稀柱外框架，梁柱、梁墻剛接不僅增加了結構的抗側剛度，同時在保證鋼框架發揮二道防線作用的前提下減小了框架柱的尺寸;其節點連接形式值得設計人員深入研究。