建筑工程中帶斜柱轉換結構設計分析

文/李煥 煙臺金邦冶金工程咨詢有限公司 山東煙臺 264002

斜撐—柱轉換結構節點是指處于斜向構件和垂直構件之間的節點，已成功運用于部分高層和超高層建筑當中，其可靠性是結構安全和構件能夠充分發揮作用的重要影響因素。評估該類型節點的受力性能，通常可以采用試驗方式或者模擬方式；與試驗方式相比，有限元模擬方式通過建立數值模型，可以開展參數化分析，并能夠較全面地了解受力情況。

1、斜柱轉換的形式

在建筑設計中，由于使用功能或者立面造型的需要，有時下部的局部豎向承重構件與上部不能對齊，存在一定偏移，這就造成結構設計中，在某一層需要進行結構的轉換。目前國內常用的轉換形式有框支轉換、厚板轉換、箱形結構轉換、斜柱轉換等。斜柱轉換根據其不同的形式，大體可分為三種，即單斜式、正V字斜式和倒V字斜式。住建部頒布的《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點(建質［2015］67號)》中規定，斜柱轉換屬于一不規則項，為“局部不規則”，結構設計中應予考慮，并采取相關的計算和加強措施。

2、工程概況

蘇州公安應急指揮中心辦公大樓地下1層，地上21層，其中裙房3層。標準層長59.4m、寬24.5m，建筑面積約35000m2。辦公大樓底層層高為5.0m，標準層層高為4.2m，主屋面高度為000m，機房構架層頂面高度為99.000m。

2.1 設計參數

建筑抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組，多遇地震影響系數最大值根據地震安全性評價報告確定為0.079。根據地勘報告，本工程的場地類別為Ⅲ類，由于土層等效剪切波速處于分界線附近，場地特征周期按插值方法確定為0.51s。

2.2 上部結構設計

辦公大樓采用現澆框架-核心筒結構體系，樓面采用現澆鋼筋混凝土肋梁樓蓋。計算分析結果顯示，結構各項抗震指標基本滿足要求。

本工程結構的不規則情況及應對措施如下：

(1)扭轉不規則。本工程部分樓層扭轉位移比大于1.2，屬于扭轉不規則結構。對此，加強角柱縱筋并加密箍筋以提高其延性。

(2)樓板局部不連續。由于2層、3層樓板平面開大洞，開洞面積約35%，有效樓板寬度約50%，形成3層通高共享空間，造成裙房外圍框架柱為穿層柱。對于樓板平面開大洞產生的不利影響，采用兩個不同力學模型的軟件進行對比計算分析，并復核穿層柱承載力。

(3)豎向尺寸突變。本工程4層以上塔樓平面相對于裙房屋面在Y向收進一跨，豎向構件位置縮進略大于25%。對此，結構設計采取以下措施：1)減小結構剛度的變化，控制上部收進結構的底部樓層層間位移角不大于相鄰下部區段最大層間位移角的1.15倍;2)上下各2層塔樓周邊豎向結構構件的抗震等級提高一級;3)加強收進部位以下各層結構周邊豎向構件的配筋構造措施;4)加強體型收進部位的樓板厚度(裙房屋面即為局部斜柱轉換層)，雙層雙向配筋且配筋率不小于0.25%。

(4)存在局部斜柱轉換。本工程4層以上塔樓2根邊柱采用斜柱轉換。對此，結構設計采取以下措施：1)底部兩層設置為強制薄弱層，充分考慮豎向抗側力構件不連續對整體結構帶來的不利影響;2)加強局部斜柱區域樓板厚度及配筋，并對轉換層樓板進行平面內應力分析;3)斜柱轉換結構構件采用型鋼混凝土，從嚴控制軸壓比并補充抗震性能化設計;同時對水平拉梁內型鋼按受拉承載力不小于斜柱水平拉力的要求進行設計;4)補充彈性時程分析計算。彈性時程分析計算結果顯示，結構在地震作用下的基底剪力由CQC法包絡，結構樓層位移尚不存在明顯的突變。

3、斜柱轉換設計

根據建筑功能要求，大樓底部兩層通過平面開大洞及抽柱在入口處形成3層通高共享空間，在5層及6層采用2層高斜柱對塔樓2根邊柱進行局部轉換，轉換跨跨度為25.2m。

3.1 轉換形式及受力性能分析

對于3跨托2柱的情況，結構設計時對桁架轉換和斜柱轉換兩種轉換形式進行對比分析。通過計算可知，在桁架轉換形式下，受壓斜柱的軸力較大，受拉斜柱的軸力相對很小，說明受拉斜柱的利用效率不高。而斜柱轉換形式下，斜柱軸力有所增加，但避免了在混凝土結構設計中采用受拉桿件，便于施工。另外，由于傳統轉換桁架斜腹桿較多，因而抗側剛度較大。上部結構抗震設計時，轉換層上下側向剛度比、樓層抗剪承載力比等指標均較難滿足要求。因此，結構設計最終采用斜柱轉換。

3.2 斜柱轉換結構性能化設計目標

鑒于轉換結構的重要性，為提高轉換構件的剛度和延性，轉換結構相關區域的上下2層構件采用型鋼混凝土，轉換柱截面尺寸為1300×1200，含鋼率約6.3%，混凝土強度等級為C55;斜柱截面尺寸為900×1000，含鋼率約5.7%，混凝土強度等級為C50。斜柱轉換結構按抗剪中震彈性，抗彎中震不屈服設計。按《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)［1］7度設防的水準，采用靜力推覆法對塔樓進行罕遇地震作用下的結構彈塑性變形驗算。

3.3 施工次序對轉換結構內力及變形的影響

結構設計時，對帶轉換結構的高層建筑應考慮施工模擬對轉換結構及周邊構件內力的影響。通過不同施工次序分析可知，轉換柱按一次性加載和施工模擬加載兩種方法分別計算的軸力相差達20%，顯示不同施工次序對關鍵構件的內力有明顯影響，且隨著斜柱轉換上部參與一次性形成整體剛度的樓層數量增加，轉換柱柱底內力相應變小。

結語：

當超高層建筑由于平面縮進，立面上出現斜柱，結構設計應根據傳力路徑，對斜柱相關樓板傳力機制，斜柱相關樓面梁傳力機制，斜柱承載力及相關節點進行分析。可采用布置預應力筋+增設非預應力筋等方式加強受拉層樓板。樓面梁傳力機制復雜，同斜柱角度、穿越樓層數、是否角柱和平面布置密切相關，水平力影響范圍不限于同斜柱直接相連的梁。斜柱計算長度和節點需要仔細計算分析，節點設計需要關注節點域壁厚和加勁板布置。立面斜柱轉換區域，轉換層受力機制同施工方式密切相關，為最大限度的使結構施工連續、順暢，減少施工間歇時間，綜合結構受力和施工組織安排，采用逐層澆筑和封頂后澆筑兩種施工方案，針對不同轉換區段采用不同的施工方案，并加強監測要求。